Ảnh hưởng của các loại phụ gia nhựa đến hàn siêu âm

Đặc tính của nhựa ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hàn siêu âm

   Các tính chất của nhựa ảnh hưởng đến sự thành công của hàn siêu âm. Khả năng hàn siêu âm của nhựa phụ thuộc vào khả năng suy giảm của nhựa trước rung động siêu âm, mức độ nhiệt độ nóng chảy và các tính chất vật lý như mô đun đàn hồi, khả năng chống va đập, hệ số ma sát và độ dẫn nhiệt.

   Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng khả năng hàn G của nhựa tỷ lệ thuận với mô đun đàn hồi E, độ dẫn nhiệt λ và hệ số ma sát μ và tỷ lệ nghịch với mật độ nhựa ρ, nhiệt dung riêng C và điểm nóng chảy t.

Được biểu thị bằng công thức sau: G=K·E·λ·μ/(ρ·C·t) (W/m2·K) trong đó:

K - hệ số hình dạng của mối hàn, phụ thuộc vào độ dày thành, kích thước, kích thước của mối hàn và hình dạng, kích thước của đầu hàn;

E——Mô đun đàn hồi của nhựa (GN/m2);

λ——Độ dẫn nhiệt (W/m·K);

μ——hệ số ma sát của nhựa;

ρ——tỷ trọng của nhựa (kg/m3);

C——Nhiệt dung riêng (J/kg·K);

t - điểm nóng chảy (K).

   Các đặc tính thường hạn chế việc lựa chọn vật liệu cho một ứng dụng cụ thể là những đặc tính gây khó khăn cho việc hàn như điểm nóng chảy cao hoặc độ kết tinh. Nói chung, nhựa càng cứng thì càng dễ hàn. Nhựa cứng dễ dàng truyền năng lượng siêu âm, trong khi nhựa mềm thường làm suy giảm năng lượng trước khi đến vùng khớp. Độ cứng của vật liệu hàn là một đặc tính quan trọng có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm xung quanh. Các chất màu, chất giải phóng, chất độn thủy tinh và sợi gia cố có tác động lớn hơn.

1. Cấu trúc nhựa polyme

    Nhựa vô định hình có cấu trúc phân tử tùy ý và mềm dần trong khoảng nhiệt độ rộng, đạt đến trạng thái chuyển tiếp thủy tinh và sau đó là trạng thái nóng chảy lỏng. Quá trình đông đặc cũng diễn ra từ từ, tránh hiện tượng đông cứng sớm. Nhựa vô định hình có thể truyền rung động siêu âm một cách hiệu quả, có thể được hàn trong các điều kiện xử lý khác nhau và cũng có thể dễ dàng có được các mối nối kín. Nhựa bán tinh thể được đặc trưng bởi sự sắp xếp có trật tự của các cấu trúc phân tử. Cần có nhiệt độ cao để phá hủy sự sắp xếp có trật tự này. Nó có điểm nóng chảy rõ ràng và đông đặc lại nhanh chóng khi nhiệt độ hạ xuống một chút. Chất tan chảy ra khỏi vùng nóng của mối nối đông cứng lại nhanh chóng. Ở trạng thái rắn, các phân tử bán tinh thể hoạt động giống như lò xo để hấp thụ một phần lớn rung động siêu âm thay vì truyền đến bề mặt khớp nên phải sử dụng biên độ cao để tạo ra đủ nhiệt cho quá trình hàn.

2. Ảnh hưởng của chất độn và chất gia cường đến hàn siêu âm

   Chất độn trong nhựa nhiệt dẻo (thủy tinh, bột talc, khoáng chất) có thể cải thiện hoặc ức chế quá trình hàn siêu âm. Các vật liệu như canxi cacbonat, cao lanh, hoạt thạch, nhôm hydroxit, chất độn hữu cơ, silica, quả cầu thủy tinh (wollastonite) và mica có thể làm tăng độ cứng của nhựa và khi hàm lượng đạt 20%, nó có thể cải thiện độ cứng của toàn bộ vật liệu (đặc biệt là nhựa bán tinh thể) có hiệu suất truyền năng lượng siêu âm. Ở mức lên tới 35%, nhựa nhiệt dẻo không đủ có thể xảy ra ở các mối nối yêu cầu bịt kín đáng tin cậy. Khi chất độn đạt 40%, các sợi tập trung ở bề mặt khớp và không có đủ vật liệu nhiệt dẻo để tạo thành kết nối chắc chắn. Các sợi dài có thể kết tụ lại trong quá trình đúc, khiến cho bộ định hướng năng lượng chứa tỷ lệ thủy tinh cao hơn vật liệu cơ bản. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng chất độn thủy tinh sợi ngắn. Các hạt mài mòn trong nhiều chất độn gây mòn sừng khi hàm lượng chất độn vượt quá 10%. Nên sử dụng đầu hàn titan được phủ thép cứng hoặc cacbua. Thiết bị siêu âm công suất cao hơn cũng có thể được yêu cầu để tạo ra đủ nhiệt tại khớp.

3. Ảnh hưởng của phụ gia đến hàn siêu âm

    Mặc dù các chất phụ gia có thể cải thiện hiệu suất toàn diện hoặc khả năng tạo hình của kim loại cơ bản, nhưng nó thường làm tăng khó khăn trong việc đạt được các mối hàn chất lượng cao. Các chất phụ gia điển hình bao gồm: chất hóa dẻo, chất điều chỉnh tác động, chất chống cháy, chất tạo màu, chất bôi trơn, chất thổi, vật liệu tái chế. Chất hóa dẻo, chất lỏng hữu cơ ở nhiệt độ cao hoặc nóng chảy ở nhiệt độ thấp làm tăng tính linh hoạt và mềm mại của nhựa và làm giảm độ cứng của chúng. Chúng làm giảm lực hút giữa các phân tử trong polyme, ảnh hưởng đến việc truyền năng lượng rung động. Các vật liệu có độ dẻo cao như nhựa vinyl là phương tiện truyền năng lượng siêu âm rất kém. Chất hóa dẻo thường được coi là chất phụ gia bên trong, nhưng theo thời gian chúng có thể di chuyển lên bề mặt, khiến việc hàn siêu âm gần như không thể thực hiện được. Chất làm dẻo có chứa kim loại có hại hơn chất làm dẻo được FDA chấp thuận. Các chất biến đổi tác động như cao su làm giảm khả năng truyền rung động siêu âm của vật liệu, đòi hỏi biên độ cao hơn để tạo ra sự nóng chảy. Chất biến tính tác động làm giảm lượng vật liệu nhựa nhiệt dẻo ở bề mặt và do đó cũng ảnh hưởng đến khả năng hàn của vật liệu. Chất chống cháy, oxit vô cơ hoặc các nguyên tố hữu cơ halogen hóa như nhôm, antimon, boron, clo, brom, lưu huỳnh, nitơ hoặc phốt pho được thêm vào nhựa để ức chế quá trình cháy hoặc thay đổi tính chất cháy của vật liệu. Trong hầu hết các trường hợp, chúng không thể hàn được. Chất chống cháy có thể chiếm từ 50% trở lên trong tổng trọng lượng vật liệu, làm giảm lượng vật liệu hàn được trong bộ phận. Khi hàn các vật liệu này cần sử dụng thiết bị có công suất lớn, biên độ cao hơn thông thường và sửa đổi thiết kế mối nối để tăng lượng vật liệu hàn được tại mối nối. Tác động của chất màu lên hàn siêu âm có thể rất đáng kể. Hầu hết các chất màu là các hợp chất vô cơ và nồng độ sử dụng thường là 0,5% đến 2%. Hầu hết các chất màu không ức chế sự truyền năng lượng siêu âm. Tuy nhiên, chúng sẽ làm giảm lượng vật liệu có thể hàn hiệu quả ở bề mặt mối nối. Titanium dioxide trong chất màu trắng là chất vô cơ và trơ về mặt hóa học. Nó hoạt động như một chất bôi trơn và sẽ làm giảm khả năng hàn nếu sử dụng ở mức trên 5%. Muội than cũng có thể cản trở việc truyền năng lượng siêu âm qua vật liệu. Các thông số quy trình có thể cần phải thay đổi khi nhựa chứa chất tạo màu. Nếu sử dụng thiết bị hàn để hàn các bộ phận có màu theo thông số kỹ thuật tạo ra mối hàn tốt từ các bộ phận không được nhuộm thì chất lượng mối hàn của các bộ phận có màu có thể thấp hơn đáng kể (độ bền mối hàn thấp, độ giòn cao). Cho đến nay, cơ chế mà các sắc tố ảnh hưởng đến hàn siêu âm vẫn chưa được xác nhận. Sự hiện diện của sắc tố dường như ảnh hưởng đến cách tạo ra nhiệt ở khớp. Thông thường các bộ phận được nhuộm màu được hàn lâu hơn dự kiến ​​đối với các bộ phận không được nhuộm màu, từ đó giải quyết được vấn đề chất lượng mối hàn kém. Thời gian hàn có thể phải tăng từ 50% trở lên. Tuy nhiên, thời gian hàn lâu hơn có thể có những tác động bất lợi như tia lửa hàn quá mức và hư hỏng dưới đầu hàn. Khi có ý định hàn siêu âm các vật liệu có màu phải đúc, nên thực hiện hàn thử trên mẫu đã đúc để xác định tính khả thi của nó. Trong nhiều ứng dụng thương mại, độ bền và độ bền của mối hàn không phải là yêu cầu quan trọng. Sử dụng chất màu không ảnh hưởng đáng kể đến hàn siêu âm có thể là một giải pháp thay thế. Chất bôi trơn bên trong (sáp, kẽm stearate, axit stearic, este axit béo) làm giảm hệ số ma sát giữa các phân tử polymer, dẫn đến giảm nhiệt trị. Tuy nhiên, vì nồng độ của chúng thấp và chúng phân tán khắp nhựa thay vì tập trung ở bề mặt khớp nên tác dụng của chúng thường rất ít. Chất thổi làm giảm khả năng truyền năng lượng của nhựa. Tùy thuộc vào mật độ, các khoảng trống trong cấu trúc vi mô làm gián đoạn dòng năng lượng ở các mức độ khác nhau và làm giảm năng lượng đến vùng khớp. Các vật liệu được hàn có hàm lượng vật liệu tái chế cao hơn hoặc khác nhau cần được đánh giá cẩn thận. Để hàn tối ưu cần kiểm soát chất lượng và số lượng mài lại ở các bộ phận được hàn. Trong một số trường hợp, có thể cần 100% nguyên liệu thô nguyên chất.

4. Ảnh hưởng của chất giải phóng đến hàn siêu âm

     Các chất giải phóng bên ngoài (stearate kẽm, stearate nhôm, fluorocarbon, silicone) thường được phun lên bề mặt khoang khuôn để tạo thành một lớp phủ tách giúp dễ dàng loại bỏ các bộ phận. Chất giải phóng có thể truyền đến bề mặt khớp, làm giảm hệ số ma sát của vật liệu được hàn, ảnh hưởng đến quá trình làm nóng bề mặt khớp và cản trở sự kết hợp của bề mặt nóng chảy và hình thành liên kết phù hợp. Silicone có tác dụng có hại nhất. Chất tách khuôn bên ngoài đôi khi có thể được loại bỏ bằng dung môi. Nếu phải sử dụng chất giải phóng bên ngoài, các loại chất giải phóng có thể sơn và in được sẽ không chuyển sang bộ phận đúc nhưng ngăn nhựa làm ướt bề mặt khuôn. Các loại chất giải phóng này có ít tác hại nhất đối với hàn siêu âm.

5. Ảnh hưởng của lớp nhựa đến hàn siêu âm

Các loại khác nhau của cùng một loại vật liệu có thể có tốc độ dòng chảy khác nhau và điểm nóng chảy khác nhau. Một phần tan chảy và chảy trong khi phần kia thì không, sẽ không có kết nối nào được hình thành. Ví dụ, acrylic loại đúc có trọng lượng phân tử và điểm nóng chảy cao hơn và giòn hơn so với loại phun và ép đùn, khiến chúng khó hàn lại với nhau hơn. Nói chung, hai vật liệu được hàn phải có tốc độ dòng chảy nóng chảy tương tự nhau (tốc độ dòng chảy nóng chảy phản ánh kích thước của trọng lượng phân tử) và chênh lệch điểm nóng chảy giữa nhau phải nằm trong khoảng 22°C. Để có kết quả tốt nhất, nên hàn cùng loại nhựa.

6. Độ ẩm của nhựa

Độ ẩm trong vật liệu ảnh hưởng đến độ bền của mối hàn siêu âm. Các chất liệu hút ẩm như polyester, polycarbonate, polysulfone và đặc biệt là nylon hút ẩm từ không khí. Độ ẩm được hấp thụ trong quá trình hàn sẽ sôi ở 100°C, lượng khí còn lại sẽ tạo ra các lỗ rỗng và có thể làm suy giảm nhựa ở bề mặt mối nối, dẫn đến hình thức kém, liên kết kém và khó có được độ kín khít. Để có kết quả tốt nhất, những vật liệu này nên được hàn ngay sau khi đúc. Nếu không thể, các bộ phận phải được bảo quản ở trạng thái khô ráo trong túi nhựa vinyl. Có thể sử dụng lò sấy đặc biệt để làm khô các bộ phận trước khi hàn, nhưng phải cẩn thận để tránh làm vật liệu bị hư hỏng.

7. Hàn siêu âm cùng loại vật liệu

Nhựa Polystyrene, SAN, ABS, polycarbonate và acrylic thường cho kết quả tuyệt vời, nhựa PVC và nhựa xenlulo có xu hướng suy giảm năng lượng, biến dạng hoặc phân hủy trên bề mặt. Các vật liệu có mô đun thấp như polyetylen cũng thường có thể hàn được nếu đầu hàn được đặt gần khu vực mối nối (hàn gần trường). Khả năng tương thích hàn siêu âm của các loại nhựa nhiệt dẻo khác nhau được thể hiện trong Bảng 1.

8. Hàn siêu âm các vật liệu khác nhau

Khi hàn các vật liệu khác nhau, chênh lệch điểm nóng chảy giữa hai vật liệu không được vượt quá 22°C và cấu trúc phân tử phải giống nhau. Đối với các tình huống có chênh lệch điểm nóng chảy lớn, vật liệu có điểm nóng chảy thấp sẽ tan chảy và chảy, ngăn cản sự sinh nhiệt đủ để làm nóng chảy vật liệu có điểm nóng chảy cao. Ví dụ, khi hàn acrylic nhiệt độ cao và acrylic nhiệt độ thấp, các gân dẫn hướng năng lượng được đúc trên các bộ phận có nhiệt độ cao, và các bộ phận nhiệt độ thấp sẽ tan chảy và chảy trước các gân dẫn hướng năng lượng, và cường độ kết nối sẽ là rất nghèo. Chỉ những vật liệu tương thích về mặt hóa học với các nhóm phân tử tương tự mới có thể hàn được. Khả năng tương thích chỉ tồn tại với một số loại nhựa vô định hình hoặc hỗn hợp có chứa nhựa vô định hình. Các ví dụ điển hình bao gồm ABS và axit acrylic, PC và axit acrylic, polystyrene và ete polyphenylene biến tính. Polypropylen bán tinh thể có nhiều đặc tính vật lý giống như polyetylen, nhưng không tương thích về mặt hóa học và không thể hàn siêu âm.