レオロジー溶接性

熱可塑性プラスチックのレオロジー溶接性（RW）は、材料の溶接性を決定する際に材料の流動特性を考慮します。^[1] 熱可塑性プラスチックの溶接プロセスには、一般的に3つのステップが必要です。最初は表面処理です。2番目のステップは、接合されるコンポーネント間の密接な接触を作り出し、接合部全体で分子間拡散を開始するために熱と圧力を加えることです。3番目のステップは冷却です。^[2] RWは、特定の材料に対するプロセスの2番目のステップの有効性を判断するために使用できます。

レオロジーは、物質の流れと、加えられた力によって物質がどのように変形するかを研究する学問です。^[3]レオロジー特性は、通常、非ニュートン流体に適用されますが、溶接プロセス中に高温にさらされる熱可塑性プラスチックなどの柔らかい固体にも適用できます^。レオロジー挙動に関連する材料特性には、粘度、弾性、可塑性、粘弾性、および温度の関数としての材料の活性化エネルギーが含まれます。^{[3] [2]}

材料のレオロジー特性を理解するには、さまざまな温度におけるその材料の応力ひずみ関係を認識することも重要です。この関係は、加えられた力の関数として生じる変形を実験的に測定することによって得られます。^[3]

材料のレオロジー挙動は、材料の微細構造、組成、特定の時間に材料に作用する温度と圧力の組み合わせによって影響を受けます。ポリマー溶融物のレオロジー特性と粘弾性特性は、分子量分布や分岐の影響など、材料の分子構造に敏感です。その結果、レオロジーは異なる材料の組み合わせ間の関係を開発するために使用できます。^[3]

溶融レオロジーは、ポリマーの分子構造を決定する正確な方法であることが証明されています。^[3]これは、材料間の溶接適合性を決定するのに役立ちます。流動特性が大幅に異なる材料は、粘度と溶融温度特性がより近い材料と比較して接合が困難になるためです。^[5] この情報は、使用する特定の溶接プロセスの溶接パラメータを決定するのにも役立ちます。

ηが低いほどRWは良くなる

静滴法では、濡れは界面接触の度合いによって特徴付けられ、図1に示すように、平衡時の固体表面上の液体の接触角（θc _{）によって定量化されます。}平衡時の接触角と表面張力の関係は、ヤングの式で表されます。^[6]

${\displaystyle \gamma _{SG}\ =\gamma _{SL}+\gamma _{LG}\cos {\theta _{c}},}$

どこ：

• ${\displaystyle \gamma_{SG}}$= 固体-気体表面張力、
• ${\displaystyle \gamma_{SL}}$= 固体-液体表面張力、
• ${\displaystyle \gamma_{LG}}$= 液体-気体表面張力、
• ${\displaystyle \theta _{c}}$= 接触角。

完全に良好な濡れを得るには、平衡時の接触角( θ _c ) を最小にする必要があります。ただし、これは平衡時にのみ有効であり、平衡の速度は濡れの駆動力と液体の粘度のバランスによって決まります。ポリマー溶融物の場合、粘度が非常に高くなる可能性があり、平衡接触角に達するまでに長い時間がかかる場合があります (動的接触角は平衡時の接触角よりも高くなる可能性があります)。

したがって、溶接は急速なプロセスであるため、溶接性の評価には溶融熱可塑性プラスチック（ポリマー溶融物）の粘度を考慮する必要があります。溶接プロセス中（溶接温度および圧力時）の粘度が低いほど、溶接性は良好であると言えます。

ほとんどのポリマー溶融物では粘度（η）は温度（T）とせん断速度（）の上昇とともに減少することを思い出してください。したがって、溶接領域の全断面内で温度とせん断速度（動き）が高いほど溶接性は向上します。 ^{[2] [1]}${\displaystyle {\dot {\gamma }}}$

材料の弾性が低いほど、RWは良くなる。

弾性は、輪ゴムを伸ばすことで説明できます。輪ゴムを引っ張ると伸び、引っ張る力が弱まり、最終的に取り除かれると、輪ゴムは元の長さに戻ります。同様に、ほとんどの材料に力や負荷がかかると、材料は変形します。力が材料の降伏強度を超えない限り、力や負荷が取り除かれると、材料は元の形状に戻ります。材料の弾性に関連する材料特性はヤング率と呼ばれ、与えられた負荷に対する変形量の関係はフックの法則によって説明されます。^[3]

${\displaystyle \sigma =E\left(L-Lo\right)/Lo}$

ここで、 または材料が受ける応力は、長さの変化を元の長さで割り、それに材料の弾性率またはヤング率「E」を掛けたものに等しくなります。 ${\displaystyle \sigma}$

材料の可塑性が低いほど、RWは良くなる。

材料が流れに抵抗しながら弾性変形する能力を塑性と呼びます。^[3] 加えられた力や負荷が材料の降伏強度を超えると、材料は塑性変形し始め、元の形状に戻らなくなります。ポリマーの溶接プロセスでは、ガラス転移温度以上、材料の融点以下の温度でこの現象が発生します。^[3]

線形粘弾性挙動は、材料が非常に遅いせん断速度で小さくゆっくりとした変形を経験し、緩和プロセスがそのプロセスに追いつくのに十分な時間がある場合に観察されます。これは、より大きな変形力の開始時にも経験されます。^[3]

ポリマーの高速かつ大きな変形力に対する反応は非線形挙動であり、溶接プロセス中に発生する反応をよりよく表しています。^[3]

粘弾性挙動を知ることで、溶接プロセス中の温度と圧力を調整し、溶接品質を向上させることができます。^[5]

| E _{a |が低いほど}RWは良くなる

溶接プロセスの実行中、熱可塑性プラスチック（ポリマー製品）の軟化または溶融した部分は、界面を流れることができます。流れが少ないと、界面での拡散が少なくなり、溶接強度が低下します。ポリマー溶融物が流れるためには、高分子鎖セグメントが移動できなければなりません。鎖セグメントがエネルギー障壁を克服するのに十分な熱エネルギーを得ると、それらは容易に動き始めます。エネルギー障壁は活性化エネルギー（E _{a ）と呼ばれます。}ポリマーの活性化エネルギーの絶対値（| E _a |）が低いほど、その溶接性は良好である と言えます。

| E _{a |} PVCなどのポリマーの値はせん断速度（）の増加とともに減少し、溶接領域全体の断面内でせん断速度（動き）が高いほど溶接性が向上することを意味しています。 ^{[2] [1]}${\displaystyle {\dot {\gamma }}}$

ポリマーの様々な温度における粘度-せん断速度（）データを用いて、活性化エネルギー（Ea _）はアレニウスの式で計算できる：^{[7] [8] [9]}${\displaystyle \eta -{\dot {\gamma }}}$

${\displaystyle \eta =C\exp \left({\frac {-E_{a}}{RT}}\right),}$

どこ：

• ηは溶融ポリマーの粘度であり、
• Cは指数前因子であり、
• Rは普遍気体定数、
• Tは絶対温度です。

活性化エネルギーの絶対値(| E _{a |) は}、アルレニウスの式の自然対数を取ることで計算できます。(アルレニウスの式を参照)。

ポリマーの溶接は、分子拡散と分子鎖の絡み合いを溶接接合部全体で引き起こす密接な接触に依存しています。この動作には、ポリマーが溶融状態にあることが必要であり、溶融粘度と流動挙動が拡散と絡み合いの量に劇的な影響を及ぼします。^[10]したがって、レオロジー溶接性は、融点と溶融粘度が一致するか非常に類似している材料間で最適です。^[2]また、材料の粘度と活性化エネルギーが低下すると、その材料の溶接性が向上します。^[2] たとえば、半結晶質材料と互換性のある半結晶質材料、および非晶質材料と互換性のある非晶質材料を溶接すると、最良の結果が得られました。^[5]  レオロジー分析は材料の溶接性に関する合理的な洞察を提供できますが、^[2]ほとんどの場合、生産溶接は、通常、両方のベース材料と使用されるプロセス間の互換性を確認するための一連のテストから始まります。^[5]

溶接金属と同様に、固化したポリマー溶接部は接合プロセスに固有の残留応力を受ける。ポリマーの場合、これらの残留応力は、特定の分子配列方向につながるスクイーズ流量に一部起因し、最終的に溶接強度と全体的な品質に影響を与える。^[10]  接合される材料のレオロジー特性を十分に理解することで、結果として生じる残留応力の決定に役立ち、ひいてはこれらの応力を軽減できる処理方法への洞察が得られる。^[10]

^[5]

• 活性化エネルギー
• アレニウス方程式
• プラスチック溶接
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• 溶接性
• 溶接
• 濡れ