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

Исследуемый участок сварного шва

Степень кристалличности, %

Размер кристаллита, г • 10-10 м (200), (020)

Функция разориентации, град

Исходный материал

37

52

260

Околошовная зона

32

54

Не определена

Зона шва

28

57

Не определена

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 ар 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.

Диаграмма «напряжение — удлинение» сварного стачного шва

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

  • 1 — с промежуточным слоем из 5%-ного раствора поливинилформаля;
  • 2 — без промежуточного слоя
Диаграмма «напряжение — удлинение» сварного накладного шва

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?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >