聚合物热焊接的理论框架

本文分析了半稳定聚合物的热焊接过程，并讨论了多醚醚酮（PEEK）的优越性，而不是其他常用的半晶体热塑料聚合物。

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背景

塑料是特定聚合物的长链。由于其高强度，高刚度，高表现性和轻巧的功能，塑料的使用大大增强。此外，最常用的塑料是热和电绝缘体。但是，由于其柔韧性，紧凑性和高体积重量比，聚合物正在替代现代电子设备中的金属和陶瓷。一些聚合物还表现出电响应性能，这使其适合传感器和执行器。

随着聚合物的使用的增长，提高其可修复性的需求也在增长。当大多数塑料废物是不可生物降解并直接释放到环境中或在焚化时释放有害气体时，这更为至关重要。

聚合物的热焊接

当前，聚合物的热焊接是修复基于聚合物的组件或设计复杂零件的最流行和成本效益的方法。聚合物的一些已知的热焊接技术是热板焊接，热条焊接，热气体焊接，脉冲焊接，挤出焊接，无闪光焊接，振动焊接，旋转焊接，旋转焊接，轨道焊接，轨道焊接，超声焊接，超声焊接，摩擦焊接，电阻，电阻式焊接焊接，电阻植入物焊接，诱导焊接，高频焊接，红外焊接，微波焊接和激光焊接。

最值得注意的是，只能对热塑性聚合物进行热焊接，而热固性聚合物只能通过粘合剂连接。对于强焊接，与散装聚合物相比，焊接界面应具有更高的强度。聚合物通常是无定形或半晶体形式的。关于热焊接的大多数研究都是对非晶聚合物进行的。但是，对半结构聚合物的焊接的理解是晦涩的。

在无定形聚合物的情况下，焊接的界面强度直接取决于链纠缠。此外，它通过总焊接时间的第四强度增加了一项（即_w^1/4）直到界面处的密度等于熔体的密度。同样，界面处的断裂韧性和剪切应力与t成正比_w^1/4。

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同时，过程参数对界面上半稳定聚合物结晶的影响需要正确的建模。驱动热焊接的三个过程是热扩散，质量扩散和结晶。

用窥视建模

PEEK是一种半晶体热塑性聚合物，熔点为345℃，高玻璃过渡温度为143℃，其高于大多数常用的半晶体延伸热塑料聚合物，即高得多。聚乙烯（PE），聚丙烯（PP），聚丁乙烯三乙酸酯（PBT）和聚对丙烯二苯二甲酸酯（PET），分别为〜110℃，〜160℃，〜223℃，〜223℃，〜255℃，分别为熔点。

它的高熔化温度有助于更好地控制熔体和焊接界面厚度。此外，它在高温下具有出色的化学和机械稳定性，这使其成为热焊接模型的合适候选者。

最新研究

在Adhikari等人进行的一项研究中。（2022），使用源温度为850的红外辐射用于融化和焊接两个PEEK聚合物的表面。他们发现热扩散率为1.13×10^-7m²/s。此外，聚合物和温度的分子量对界面处的聚合物链扩散具有显着影响。等温结晶速率为5 s^-1给出1.77 s的特征结晶时间。

在冷却过程中，即使越过熔化温度后，前2.5s也没有开发结晶度。这表明即使在熔点之后，质量扩散仍在继续，并且熔点和结晶之间的时间窗口对于焊接界面的强度至关重要。但是，随着结晶的增加，质量扩散开始缓慢。由于结晶，与无定形聚合物相比，这两个表面相互互锁。

此外，从界面向下，互穿宽度直接取决于远场温度，互穿的深度独立于阈值以上熔化区域的宽度。因此，仔细考虑聚合物样品的尺寸非常重要。在这方面，诸如PEEK之类的聚合物可以更好地控制PE，PP，PBT和PET上的互穿深度和宽度。

结论

总而言之，对半晶体聚合物的热焊接分析对于更好地理解影响聚合物链扩散和基于结晶的互锁的过程参数至关重要，这是焊接界面强度的主要因素。在熔点和结晶的引发之间具有较长时间窗口的任何半石热塑性聚合物都表现出更高的质量扩散和较高的强度。

参考和进一步阅读

Adhikari，S.，Durning，C.，Fish，J.，Simon，J.，Kumar，S.，对半晶体聚合物的热焊接建模，大分子，2022https://doi.org/10.1021/acs.macromol.1c02612

聚合物和复合材料的焊接技术。（n.d。）。TWI。https://www.twi-global.com/technical-knowledge/publand-papers/welding-technologies-for-polymers-and-composites

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