Влияние ультразвуковой сварки на структуру и прочность тканей из полиамидных нитей

Одним из основных направлений в развитии сырьевой базы швейной промышленности является увеличение объема текстильных полотен, выработанных из химических волокон и нитей. В настоящее время в мировом производстве и потреблении доля химических волокон и нитей при выработке одежных тканей составляет 50 %, бельевых — 69 %, технических — 91 %. Удельный вес полиамидных волокон и нитей среди основных видов химического сырья приближается к 30 %.

Специфические свойства полиамидных волокон и нитей (термопластичность) предполагают для соединения деталей швейного изделия применять безниточные способы, в частности сварку. Однако широкое внедрение сварного способа соединения сдерживается из-за низкой прочности соединений на расслаивание. Основной причиной низкой прочности на расслаивание является изменение структуры полимера в процессе сварки и образование наиболее слабой механически около- шовной зоны.

Многочисленные исследования полимерных материалов показали, что процесс разрушения протекает не одновременно по всему объему образца, а начинается с дефектных участков структуры, локальные напряжения в которых значительно превосходят среднее напряжение в образце. Процесс разрушения происходит в три стадии.

На первой стадии под действием растягивающей нагрузки часть связей в дефектных участках структуры перенапрягается, удлиняясь в 2...2,5 раза, вследствие чего ослабленные химические связи разрываются тепловыми флуктуациями.

На второй стадии образовавшиеся концевые микрорадикалы начинают реагировать с соседними микроцепочками, отщепляя атомы водорода и ослабляя близлежащие межатомные связи, что приводит к их термофлуктуационному разрыву с образованием новых микрорадикалов. На третьей стадии лавинообразное накопление разрывов макромолекул, локализованное в отдельных участках полимера, приводит к возникновению зародышевых микротрещин. Рост концентрации субмикротрещин до предельного значения вызывает макроразрушения полимерного образца.

Исследования механизма разрушения сварных соединений из материалов полиамидной группы подтвердили зависимость долговечности как температурно-временной характеристики от величины предельно разрушающего напряжения, характеризующегося предельной статистической прочностью материала.

В ориентированных аморфно-кристаллических полимерах, к числу которых относятся полиамидные текстильные материалы, роль слабых мест при разрушении играют аморфные межкристаллические прослойки. При развитии больших деформаций в полимерах могут протекать два противоположно направленных процесса — аморфизация и кристаллизация.

Поведение сварных соединений при разрушении материала зависит не только от его свойств, но и от вида напряженного состояния, разного, например, для стачных и накладных швов. Этим во многом объясняется различная величина прочности для разных конструкций соединений: накладного — 40...60 %, стачного — 20...30 % от прочности материала.

Анализ поведения стачного сварного шва под нагрузкой показывает, что в то время, как материал образца деформируется, деформация в околошовной зоне затруднена, а ширина шва не меняется. Это приводит к возникновению дополнительных напряжений, особенно значительных по краям образца, вызывающих появление трещины, которая быстро развивается в околошовной зоне.

Для стачного шва характерен квазихрупкий, а для накладных швов — вязко-упругий характер разрушения.

Методом дифференциально-термического анализа было выявлено различие в структуре зоны сварного соединения, выполненного ультразвуковой сваркой, и исходного материала. В зоне сварного соединения наблюдаются существенные структурные процессы перестройки, ведущие не только к увеличению размеров кристаллитов и степени кристалличности, но и к полной потере ориентации. Этот процесс осложняется для полиамидов полиморфным превращением из а- в (3-кристаллическую модификацию при нагреве до температуры 193 °С. Все это существенно снижает деформационно-прочностные показатели полимера, в частности прочность на разрыв.

В табл. 5.4 приведены результаты дифракционного анализа, показывающие, что изменение структуры полиамида в процессе ультразвуковой сварки характеризуется некоторым снижением общей степени кристалличности и незначительным ростом размеров кристаллитов в направлении оси молекул.

Из-за малости фрагментов волокон в зоне шва и околошовной зоне в табл. 5.4 не представлен анализ функций разориентации кристаллитов.

Таблица 5.4

Результаты дифракционного анализа сварного соединения из капроновой ткани

Результаты дифракционного анализа сварного соединения из капроновой ткани позволили установить, что в зоне сварного шва и околошовной зоне имеют место рекристаллизационные процессы и разори- ентация системы. В месте шва действие давления и температуры ведет к частичному подплавлению волокон и их свариванию с образованием сплошной системы, которая обеспечивает достаточную механическую прочность этого участка. В околошовной зоне не происходит расплавления волокон, однако термическое воздействие достаточно, чтобы произошли процессы рекристаллизации, ведущие к изотропии структуры. Поэтому при нагружении такой системы слабым местом оказывается околошовная зона, а не области шва или исходного материала.

В целях сохранения структуры полимера в зоне сварки применяют промежуточный слой из термопластичных пленок, порошков, клеев. Однако это приводит к повышению жесткости и толщины сварного соединения. Использование термопластичного промежуточного слоя обеспечивает в основном механическое сцепление его с соединяемым материалом, претерпевающим в процессе сварки структурные изменения.

Принципиально новым направлением, обеспечивающим сохранение структуры материалов полиамидной группы, является применение в качестве промежуточного слоя полимеризационно способных реагентов, которые под действием ультразвука образуют со свариваемым материалом дополнительные химические связи.

В качестве полимеризационно способного промежуточного слоя при ультразвуковой сварке применяют производные поливинилового спирта — водорастворимые олиговинилацетали. Они водорастворимы, безвредны, экологически чисты и доступны. Введение дополнительного промежуточного слоя водного раствора производных поливинилового спирта позволяет создавать дополнительные связи и однородную структуру зоны шва и околошовной зоны, которые приводят к повышению прочности околошовной зоны.

Введение полимеризационно способного слоя при ультразвуковой сварке материалов полиамидной группы позволяет существенно повысить разрывную нагрузку соединений и довести ее на расслаивание до 50 %, а на сдвиг — до 70 % от прочности исходных материалов. На рис. 2, 3 показаны зависимости разрывного напряжения а_р от разрывного удлинения е₀ стачного и накладного швов, выполненных без промежуточного слоя и с промежуточным слоем.

Анализ швов показывает, что введение полимеризационно способного слоя в зону соединения повышает не только величину разрывной нагрузки, но и модуль жесткости при растяжении, работу на разрыв. Это свидетельствует о повышении надежности и долговечности соединения. В целях уменьшения жесткости сварного соединения рекомендовано в полимеризационно способный слой вводить пластифицирующую добавку. С помощью растровой электронной микроскопии установлено, что введение в зону сварного соединения полимеризационно способных реагентов замедляет процессы рекристаллизации и деструкции волокон и способствует сохранению их исходной структуры и механических свойств. В сварном соединении полимерный слой образует непрерывную межволоконную фазу, обладающую в отличие от клеевого соединения переменной жесткостью, с более высокой концентрацией химических связей (сшивок) с поверхностями контак- тируемых волокон. Применение полимеризационно способного слоя приводит к использованию более щадящего режима сварки, который сохраняет внешнюю целостность волокон даже в зоне шва, что позволяет получать более эластичное соединение.

Рис. 2. Диаграмма «напряжение — удлинение» сварного стачного шва:

• 1 — с промежуточным слоем из 5%-ного раствора поливинилформаля;
• 2 — без промежуточного слоя

Рис. 3. Диаграмма «напряжение — удлинение» сварного накладного шва:

• 1 — с промежуточным слоем из 5%-ного раствора поливинилформаля;
• 2 — без промежуточного слоя

Контрольные вопросы

• 1. Какие причины вызывают снижение прочности ткани при сваривании?
• 2. Какие изменения претерпевает структура тканей на участке сварного соединения и в околошовной зоне?
• 3. Чем обусловлено повышение прочности сварных соединений при использовании промежуточного слоя из производных поливинилового спирта?