СОЕДИНЕНИЕ ФАСОННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ ПОЛИАМИДНЫХ ФОРМОВОЧНЫХ МАСС
BONDING OF SHAPED ARTICLES FROM DIFFERENT POLYAMIDE MOLDING BLENDS

Изобретение касается способа соединения двух фасонных изделий, одно из которых состоит из формовочной массы РА11, а другое - из формовочной массы РА12. Примерами этих фасонных изделий могут служить подающие или отводящие трубопроводы из полиамида.
В настоящее время трубы, к которым предъявляют повышенные технические требования, и предназначенные для транспортировки, например, газов, масел или солей, изготавливают в первую очередь из ПАП. Речь при этом идет, например, о газопроводных системах, промышленных трубопроводах (например, для сточных вод, содержащих химикаты) и нефтепроводах (трубопроводах для шельфовой нефтедобычи). Если необходимо ремонтировать или заменять эти трубы после повреждения, либо же если сеть снабжения расширяют, добавляя новые участки, то проводят сварку концевых или переходных участков. В этих целях можно соединять пластмассовые фасонные изделия самыми разными методами сварки пластмасс; в частности, трубы большого размера, преимущественно соединяют методом сварки с нагревательным элементом, сварки с муфтой и нагревательным элементом или сварки с нагревательной спиралью.
После того, как в недавнем времени появились новые технологии обработки, для указанных целей применения все чаще используют ормовочные массы ПА12, поскольку этот материал превосходно годится для указанных целей применения. При этом следует исходить из того, что необходимо расширять или ремонтировать уже имеющиеся сети трубопроводов снабжения. Если последние состоят из ПА11, то расширение сетей с применением деталей, которые состоят из ПА12, осложняется так называемыми фитингами, состоящими из ПА11 или ПА12, поскольку соединение деталей из ПА11 и ПА12 сваркой дает недостаточную прочность. Если же необходимо соединять заново, ремонтировать или санировать трубы из полиамида, то это можно осуществлять, только учитывая тип полиамида. Это означает, что прокладывать ПА11 можно только с применением ПА11, а ПА 12 - только с применением ПА12. Получается, что необходимо, чтобы на стройплощадке знали об этих обстоятельствах и строго соблюдали эти требования. Поэтому следует всерьез принимать опасность того, что материалы могут перепутать. Помимо опасности того, что материал перепутают, возрастают также затраты на логистику и формирование запасов, поскольку необходимо складировать соединительные элементы из ПА11, а дополнительно - из ПА12.
Известно, что фасонные изделия из полиамидов (например, соединительный элемент трубы) и фасонные изделия из полиэтилена (например, бак для горючего) или полипропилена можно соединять друг с другом посредством полиолефинов, которые привиты ангидридом малеиновой кислоты (германский патент DE 19535413 С1), и которые прочно удерживаются как на ПА11, как и на ПА12. При переходах от полиамида к полиамиду такое соединение не может иметь значения, поскольку полиамиды применяют в первую очередь там, где давление высоко, и где соединительные элементы из функционализированных полиолефинов нельзя применять ввиду их недостаточных механических характеристик.
Поэтому имеется задача предложить формовочную массу, пригодную для соединения как фасонных изделий из ПА11, так и фасонных изделий из ПА12.
Эта задача решена посредством применения формовочной массы для соединения двух фасонных изделий, каждое из которых состоит из формовочной массы ПА11 и/или ПА12, причем формовочная масса содержит по меньшей мере 50 вес-%, предпочтительно - по меньшей мере 60 вес-%, особо предпочтительно по меньшей мере 70 вес-%, весьма предпочтительно по меньшей мере 80 вес-%, а крайне предпочтительно - по меньшей мере 90 вес-% полиамидного компонента, который выбирают так, что его можно изготавливать из линейных алифатических диаминов и дикарбоновых кислот или же лактамов или со-аминокарбоновых кислот, причем в то же время в повторяющихся единицах присутствуют 11-12 атомов углерода на одну карбонамидную группу, и причем также должно выполняться то условие, что этот полиамидный компонент содержит максимум 80 вес-%, предпочтительно - максимум 75 вес-%, особо предпочтительно максимум 70 вес-%, а весьма предпочтительно - максимум 65 вес-%, в каждом случае одного из полиамидов ПА11 и ПА12. Предпочтительно выбирать полиамидный компонент из ПА1012, ПА1210, ПА1212, ПА814, ПА1014, ПА618, ПА11 и ПА12.
В первой предпочтительной форме исполнения формовочная масса содержит в качестве полиамидов ПА1012 и ПА11 в массовом отношении 100:0-20:80, предпочтительно - 100:0-25:75, особо предпочтительно 100:0-30:70, а весьма предпочтительно - 99,9:0,1-35:65.
Во второй предпочтительной форме исполнения формовочная масса содержит в качестве полиамидов ПА1012 и ПА12 в массовом отношении 100:0-20:80, предпочтительно - 100:0-25:75, особо предпочтительно 100:0-30:70, а весьма предпочтительно - 99,9:0,1-35:65.
В третьей предпочтительной форме исполнения формовочная масса содержит в качестве полиамидов ПА1212 и ПА11 в массовом отношении 100:0-20:80, предпочтительно - 100:0-25:75, особо предпочтительно 100:0-30:70, а весьма предпочтительно - 99,9:0,1-35:65.
В четвертой предпочтительной форме исполнения формовочная масса содержит в качестве полиамидов ПА1212 и ПА12 в массовом отношении 100:0-20:80, предпочтительно - 100:0-25:75, особо предпочтительно 100:0-30:70, а весьма предпочтительно - 99,9:0,1-35:65.
В пятой предпочтительной форме исполнения формовочная масса содержит в качестве полиамидов ПА1210 и ПА11 в массовом отношении 100:0-20:80, предпочтительно - 100:0-25:75, особо предпочтительно 100:0-30:70, а весьма предпочтительно - 99,9:0,1-35:65.
В шестой предпочтительной форме исполнения формовочная масса содержит в качестве полиамидов ПА1210 и ПА12 в массовом отношении 100:0-20:80, предпочтительно - 100:0-25:75, особо предпочтительно 100:0-30:70, а весьма предпочтительно - 99,9:0,1-35:65.
В седьмой предпочтительной форме исполнения формовочная масса содержит в качестве полиамидов ПА618 и ПА11 в массовом отношении 100:0-20:80, предпочтительно - 100:0-25:75, особо предпочтительно 100:0-30:70, а весьма предпочтительно - 99,9:0,1-35:65.
В восьмой предпочтительной форме исполнения формовочная масса содержит в качестве полиамидов ПА814 и ПА11 в массовом отношении 100:0-20:80, предпочтительно - 100:0-25:75, особо предпочтительно 100:0-30:70, а весьма предпочтительно - 99,9:0,1-35:65.
В девятой предпочтительной форме исполнения формовочная масса содержит в качестве полиамидов ПА814 и ПА12 в массовом отношении 100:0-20:80, предпочтительно - 100:0-25:75, особо предпочтительно 100:0-30:70, а весьма предпочтительно - 99,9:0,1-35:65.
В десятой предпочтительной форме исполнения формовочная масса содержит в качестве полиамидов ПА1014 и ПА11 в массовом отношении 100:0-20:80, предпочтительно - 100:0-25:75, особо предпочтительно 100:0-30:70, а весьма предпочтительно - 99,9:0,1-35:65.
В одиннадцатой предпочтительной форме исполнения формовочная масса содержит в качестве полиамидов ПА1014 и ПА12 в массовом отношении 100:0-20:80, предпочтительно - 100:0-25:75, особо предпочтительно 100:0-30:70, а весьма предпочтительно - 99,9:0,1-35:65.
В двенадцатой предпочтительной форме исполнения формовочная масса содержит в качестве полиамидов ПА618 и ПА12 в массовом отношении 100:0-20:80, предпочтительно - 100:0-25:75, особо предпочтительно 100:0-30:70, а весьма предпочтительно - 99,9:0,1-35:65.
В тринадцатой предпочтительной форме исполнения формовочная масса содержит в качестве полиамидов ПА11 и ПА12 в массовом отношении 80:20-20:80, предпочтительно - 75:25-25:75, особо предпочтительно 30:70-70:30, а весьма предпочтительно - 35:65-65:35.
Четырнадцатая предпочтительная форма исполнения - это сочетание первой и третьей форм исполнения; ПА1012 при этом заменен смесью ПА1012 и ПА1212 в массовом отношении 99,9:0,1-0,1:99,9, предпочтительно - 95:5-5:95, а особо предпочтительно - 90:10-10:90.
Пятнадцатая предпочтительная форма исполнения - это сочетание второй и четвертой форм исполнения; здесь ПА1012 также заменен смесью ПА1012 и ПА1212 в массовом отношении 99,9:0,1-0,1:99,9, предпочтительно - 95:5-5:95, а особо предпочтительно - 90:10-10:90.
Шестнадцатая предпочтительная форма исполнения основана на тринадцатой форме исполнения. В этом случае ПА11 и/или ПА12 на 0,1-99,9 вес-%, предпочтительно - на 5-95 вес-%, а особо предпочтительно - на 10-90 вес-% заменяют на ПА1012, ПА1212, ПА1210, ПА814, ПА1014 и/или ПА618.
Эти и другие формы исполнения можно произвольно комбинировать друг с другом.
ПА11 синтезируют поликонденсацией ω-аминоундекановой кислоты, а ПА12 получают полимеризацией лауринлактама с раскрытием кольца. Оба полимера представлены в торговле во множестве видов. ПА1012 синтезируют поликонденсацией смеси 1,10-декандиамина и 1,12-додекандикислоты в эквивалентном соотношении, в то время как ПА1212 таким же образом получают из 1,12-додекандиамина и 1,12-додекандикислоты. Аналогичным образом синтезируют ПА1210: путем поликонденсации эквимолярных смесей 1,12-додекандиамина и себациновой кислоты, а также ПА618: путем поликонденсации эквимолярных смесей гексаметилендиамина и 1,18-октадекандикислоты. ПА814 соответствующим образом получают из октаметилендиамина и 1,14-тетрадекандикислоты, а РА1014 - из 1,10-декандиамина и 1,14-тетрадекандикислоты. Поликонденсацию обычно проводят в расплаве.
Применяемые формовочные массы могут содержать самое большее 50 вес-% добавок, которые выбирают из каучука, придающего ударную вязкость, и/или обычных вспомогательных веществ соответственно наполнителей.
Каучуки, придающие полиамидным формовочным массам ударную вязкость, общеприняты на нынешнем техническом уровне. Они содержат функциональные группы, происходящие от ненасыщенный функциональных соединений, которые либо включаются при полимеризации в главную цепь, либо оказываются привиты к главной цепи. Чаще всего применяют каучук ЭПМ или ЭПДМ, привитый ангидридом малеиновой кислоты по радикальному механизму. Кроме того, можно использовать сополимеры или терполимеры этилена, эфиров акриловой кислоты и ангидрида малеиновой кислоты, либо же этилена и глицидилакрилата или глицидилметакрилата, а также блок-сополимеры стирола и бутадиена, функционализированные ангидридом, при необходимости также гидрированные. Такие каучуки можно также применять совместно с не имеющим функциональных групп олефином, например, изотактическим полипропиленом, как это описано в европейской заявке ЕР-А-0683210.
Кроме того, формовочные массы могут также содержать менее значительные количества вспомогательных веществ или добавок, которые необходимы для регулировки определенных характеристик. Их примеры - это пластификаторы, пигменты либо же наполнители, как то: сажа, диоксид титана, сульфид цинка, силикаты или карбонаты, средства, способствующие обработке, как то: воски, стеарат цинка или стеарат кальция, огнезащитные средства, как то: гидроксид магния, гидроксид алюминия или меламинцианурат, стекловолокно, антиоксиданты, УФ-стабилизаторы, а также добавки, придающие продукту антиэлектростатические свойства или электропроводность, как то: углеродные волокна, графитовые фибриллы, волокна из нержавеющей стали или электропроводящая сажа.
В одном из возможных вариантов исполнения формовочные массы содержат 1-25 вес-% пластификаторов, особо предпочтительно 2-20 вес-%, а весьма предпочтительно - 3-15вес.-%.
Пластификаторы и их применение в полиамидах известны. Общий обзор пластификаторов (размягчителей), пригодных для полиамидов, можно найти в публикации Gächter/Müller, Kunststoffadditive, С. Hanser Verlag, 2. Ausgabe, S.296.
Обычно соединения, пригодные к использованию в качестве пластификаторов, - это, например, эфиры пара-гидроксибензойной кислоты с 2-20 атомами углерода в спиртовом компоненте или амиды арилсульфоновых кислот с 2-12 атомами в аминовом компоненте, предпочтительно же - амиды бензосульфоновой кислоты. В качестве пластификаторов можно использовать в т.ч. этиловый эфир пара-гидроксибензойной кислоты, октиловый эфир пара-гидроксибензойной кислоты, i-гексадециловый эфир пара-гидроксибензойной кислоты, н-октиламид толуолсульфоновой кислоты, н-бутиламид бензосульфоновой кислоты или 2-этилгексиламид бензосульфоновой кислоты.
Соединение двух фасонных изделий согласно заявке может представлять собой соединение двух фасонных изделий любого рода, как то: частей корпуса, труб, деталей, подобных трубам, заглушек, клапанов и арматур любого рода.
Соединение осуществляют с помощью любого способа сварки; в качестве примеров можно назвать сварку встык с нагревательным элементом, сварку с применением муфты с нагревательным элементом, сварку с нагревательной спиралью, вибрационную сварку, ультразвуковую сварку, лазерную сварку, различные способы сварки горячим газом (горячим воздухом: веерную сварку горячим воздухом, правую сварку горячим воздухом, сварку горячим воздухом внахлест и экструзионную сварку горячим воздухом), а также ротационную сварку. В обычных способах сварки, как правило, применяют соединительный элемент из формовочной массы согласно заявке. Кроме того, возможно формирование соединительного элемента in situ (по месту), например, путем многокомпонентного литья под давлением.
При сварке встык с использованием нагревательного элемента стыковые поверхности соединяемых частей разогревают с помощью одного или нескольких нагревательных элементов и, прилагая усилие, сваривают с применением присадочного материала или без такового. Если стыковые поверхности не находятся в непосредственном контакте с нагревательным элементом (излучателем), то говорят о непрямой сварке встык с использованием нагревательного элемента.
При сварке с использованием нагревательной спирали стыковые поверхности частей разогревают нагревательной спиралью, которая остается в сварном соединении. Усилие соединения обусловлено тепловым расширением соединяемых частей, либо же его прилагают извне.
При сварке муфт с использованием нагревательного элемента стыковые поверхности разогревают с помощью нагреваемого шипа или втулки, а затем вдвигают одну деталь в другую. Необходимые усилия соединения можно прилагать к месту посадки деталей. При сварке с использованием горячего воздуха стыковые поверхности соединяемых частей разогревают с помощью горячего воздуха, прилагая усилие, сваривают с применением присадочного материала или без такового. Усилие соединения прилагают вручную или механическим способом.
Вибрационная сварка - это способ сварки трением, при котором энергию для расплавления и сварки соединяемых частей вырабатывают колебательными движениями соединяемых частей друг относительно друга с трением, под воздействием давления, обеспечивающего достаточно высокое трение. Пластифицированные благодаря разогреву трением соединяемые поверхности точно размещают друг относительно друга после прекращения движений, обеспечивающих трение, и сваривают друг с другом под заданным давлением.
При сварке ультразвуком продольные колебания сонотрода сварочного аппарата передают на соединяемые детали, причем в соединяемых деталях возникает стоячая волна. В зонах максимальных переменных растяжений или напряжений пластмасса плавится вследствие внутримолекулярного трения.
Лазерную сварку можно проводить либо в форме сварки встык, либо в форме сквозной лазерной сварки. В смысле осуществления лазерная сварка встык идентична бесконтактной сварке с использованием нагревательного элемента. При сквозной лазерной сварке сваривают термопластические детали с различными характеристиками поглощения. Перед сваркой обеспечивают контакт соединяемых частей друг с другом, лазерный луч проникает через прозрачную для него деталь и поглощается второй деталью, которую, как правило, модифицируют добавками; при этом происходит пластификация зоны соединения.
При ротационной сварке стыковые поверхности соединяемых частей разогревают трением и, прилагая усилие, сваривают с применением присадочного материала или без такового. Теплопродукция возможна либо посредством движения деталей друг относительно друга с трением, либо же ее обеспечивает трущий элемент. Усилие прилагают вручную или механическим способом.
В остальном в отношении процессов сварки дана ссылка на норматив DIN 1910, часть 3.
В рамках изобретения надлежащее соединение можно обеспечивать не только с помощью соединительных элементов (например, муфт при сварке с помощью нагревательного элемента или муфт со спиралью при сварке с помощью нагревательной спирали и муфт), но и - в некоторых из вышеописанных способов сварки, в особенности, при сварке горячим воздухом - с помощью сварочных присадок из полиамидных формовочных масс согласно заявкам. В этих случаях соединительный элемент создают из сварочных присадок in situ (по месту).
Многокомпонентное литье под давлением целесообразно проводить, помещая предварительно сформованные соединяемые детали в форму и соединяя их друг с другом путем впрыскивания формовочной массы соединительного элемента, и при этом происходит формовка соединительного элемента. Подходящий для этого вариант процесса - это, например, Slide Injection Molding (литье под давлением со скольжением).
Все эти способы соединения известны специалисту, так что более подробное изложение излишне.
В нижеследующих примерах сравнивают друг с другом прочность соединения различных комбинаций полиамидов. Формовочные массы, указанные в нижестоящих примерах содержат в качестве остальных компонентов добавки, которые выбирают из каучука, придащего ударную вязкость, и/или обычных вспомогательных веществ соотвественно наполнителей.
В целях оценки возможной прочности соединения формовочных масс провели опыты со сваркой встык с помощью нагревательного элемента, поскольку сварка встык с помощью нагревательного элемента - это простой и распространенный способ. Он имеет большое значение в соединении пластин и труб, а также серийных изделий, изготавливаемых методом литья под давлением, например, корпусов и емкостей из термопластов. Опыты со сваркой проводили, основываясь на руководстве DVS 2207.
Сначала подлежащие соединению пластины зажимали в держателях. Нагревательный элемент помещали между соединяемыми поверхностями, так что эти поверхности находились в непосредственном контакте с нагревательным элементом. Поступление тепла от нагревательного элемента к соединяемым деталям вело к расплавлению зоны сварки. Это расплавление, называемое фазой нагрева, состояло из процесса выравнивания под давлением и нагрева без давления.
Время, когда удаляют нагревательный элемент и сводят вместе оба зажима, пока соединяемые детали не войдут в соприкосновение, называется временем перехода. При этом поверхности подвергаются воздействию температуры окружения и остывают. При соединении расплав подвергается сдавливанию и течет. При этом он вытекает в наплыв.
Длительность разогрева без давления при опытах варьировали в зависимости от температуры плавления формовочной массы. Конкретно это означает, что до того как соединить фасонные изделия друг с другом, фасонные изделия с более высокой температурой плавления разогревали дольше, чем таковые с более низкой температурой плавления.
Сварку завершали охлаждением под давлением соединения. В течение всей фазы охлаждения давление соединения оставалось неизменным. После охлаждения части изымали из зажима.
Из пластин нарезали полоски перпендикулярно плоскости соединения. Затем, основываясь на руководстве DVS 2203, провели кратковременное испытание полосок на растяжение и определили усилия соединения.
Эталон 1: Сочетание ПА11/ПА11; прочность сцепления композита 34 МПа
Эталон 2: Сочетание ПА12/ПА12; прочность сцепления композита 35 МПа
Контрольный пример 1: Сочетание ПА11/ПА12; прочность сцепления композита 9 МПа
Пример 1: Сочетание ПА11/ПА1012; прочность сцепления композита 27 МПа
Пример 2: Сочетание ПА11/ПА1212; прочность сцепления композита 30 МПа
Пример 3: Сочетание ПА12/ПА1012; прочность сцепления композита 40 МПа
Пример 4: Сочетание ПА12/ПА1212; прочность сцепления композита 36 МПа
Пример 5: Сочетание ПА11/ПА1210; прочность сцепления композита 27 МПа
Пример 6: Сочетание ПА12/ПА1210; прочность сцепления композита 32 МПа
Пример 7: Сочетание ПА11/ПА618; прочность сцепления композита 24 МПа
Пример 8: Сочетание ПА12/ПА618; прочность сцепления композита 31 МПа
Результаты, полученные для сочетания двух материалов, в полной мере можно переносить на соответствующие сочетания трех материалов.