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ROSEリポジトリいばらき　（茨城大学学術情報リポジトリ）

Title Morphology of Polymeric Materials Welding and their Butt-fusion Welded Joints

Author(s) Bezruk. Leonid. I. / Ustinova. Yu.L.

Citation 茨城大学教養部紀要(25): 195-204

Issue Date 1993

URL http://hdl.handle.net/10109/9692

Rights

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Morphology　of　Polymeric　Materials　Welding

and　Their　Butt－fusion　Welded　Joints．

L．1．Bezruk，　Yu．　L．　Ustinova

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ABSTRACT

　　　　Morphological　data　of　Polypropylene（PP）and　Polybutene－1（PB）welded

junctions　was　obtained　by　means　of　lnterference－polarizing　Light　Microscopy（IPLM），

Selected　Area　Electron　Diffraction（SAED），　Transmitting　Electron　Microscopy（TEM），

Wide　Angle　X－Rays　Diffraction（WAXD＞techniques．　Several　modes　of　plasma

treatment　onto　polymeric　samples　or　specimens　surface　were　used　by　adaptation　a

plasma　of　electrodless　radio－frequency　discharge．

　　　　The　alteration　of　every　morphological　category　for　a　relatively　wide　range　of

welding　conditions　was　examined．　It　was　shown　that　the　most　crucial　zones　to

mechanical　tests　are　the　oriented　areas　of　buttwelds　and　the　thermally　affected　zone

adjacent　to　junction．Videorecording　of　the　thin（approx．100　micrometers　in　thickness）

films　welding　under　polarized　light　microscope　observing　permitted　to　clarify　welding

technology　as　a　process　of　adhesion　as　well　as　to　see　morphological　changes　during　a

course　first－order　phase　transitions（i．e．melting，　crystallization）．

1．INTRODUCTION．

　　　　Welding　of　polymeric　materlals　can　be　considered　as　a　technology　process　of　the

non－detachable　joint　creation　by　means　of　short－time　transfer　of　weldable　surface　to

the　state　which　guarantees　adhesion　i．e．　molecular　contact　of　the　countersubstances

and　formation　of　a　mixed　zone　of　weldable　materials　having　the　same　or　different

chemical　nature．　Welding　itself　ls　a　relatively　new　field　of　polymeric　technology．　The

majority　of　published　papers　are　devoted　to　welding　equipment　and　technological

process　description．　One　can　find　few　papers　only　in　which　authors　give　relations

between　junctions　morphology　and　welding　conditions．

　　　　It　is　well　known　that　physical　properties　of　polymeric　materials　are　determined　by

their　structural　parameters．　Therefore　an　investigation　of　morphological　changes　after

welding　is　important　for　resolving　the　fundamental　questions　on　the　welded　joints

nature．　It　is　also　of　great　importance　for　working　out　a　scientific　approach　to　the

196 LI．　Bezruk，　Yu．　L．　Ustinova

problems　of　obtaining　junctions　with　giveh　morphology　as　well　as　to　make　optimum

welding　Parameters．

　　　　The　present　paper　aim　is　to　investlgate　morphological　changes　in　PP　and　PB

butt－welded　joints　which　were　obtained，under　a　wide　range　of　welding　conditions．

ll．METHODS　and　MATERIALS．

　　　　Original　materials：（a）PP　sheets，7mm　in　thick，　melt　flow　index　O，8；（b）PB

sheets，7mm　in　thick，　melt　flow　index　3．02．

　　　　PP　and　PB　samples　were　welded　by　hot　plate　cowered　with　teflon　fabric　to

make　it　antiadhesive．　Welds　were　made　at　a　number　of　different　temperatures．　These

ranged　from　180℃to　340℃for　PP　and　from　150℃to　340℃for　PB．　The　welding

pressure（Pw）was　altered　from　O．05　to　l　MPa．　For　each　series　of　samples　one　value

was　varied　only．

　　　　Welded　junction　morphological　changes　were　analyzed　with　an　aid　of　IPLM，

SAED，　WAXD　and　TEM　techniques．

　　　　Polymeric　materials　are　usually　exposed　to　cutting，polishing　or　cleaving　in　a

course　of　sample　preparation　for　light　or　electron　microscopy　investigation．　And

surface　layers　of　polymeric　specimens　always　get　rather　strong　morphological

disturbances　over　such　mechanical　treatment．　Such　disturbed　layers　should　be

removed　from　the　specimen　surface　in　thls　or　that　way．　There　exist　several　methods

of　disturbed　layer　removal．　We　suggested　to　use　radio－frequency　plasma　technique．

Here　the　specimen　surface　i『acted　upon　by　a　range　of　plasma　particles．　Electrons　are

the　particles　with　the　greatest　energy　in　a　case　of　electrodless　radio－frequency

discharge．　Their　mean　energy　does　not　exceed　10ev　and　concentration　we　can　easily

change　from　lO6　to　lO9㎝一3．　At　electron　concentration　higher　than　107㎝一3　and　under

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　dynamic　conditions　of　plasma　particles　byproducts　　　鵠・・。5肇

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・5晒認　generator　output　power．　In　such　a　case　under　plasma

　　　ぎ｝9晶8？P謡e昔睾？2？f。呈bき韮譜。謁：ss　treatment　we　observe　no　polymer　weight　losses　but

　　　pユasコLa　RF　discharge　on　electron　　　・。n・ent・ati。n　　　　　　　　　only　surface　optical　contrast　improvement，　i．e．fine

morphological　entities　radius　of　curvation　reduction．　From　the　morphological　point　of

view　this　process　can　be　called　as　etching（Fig．1）．　We　believe　that　disturbed　layer

Morphology　of　Polymeric　Materials　Welding　and　Their　　　　　　　　　　Butt－fusion　Welded　Joints．

197

thickness　one　can　get　after　the　plasma　treatment　is　comparable　with　charged

particles　track　values．　It　is　known　that　if　the　mean　energy　of　electrons　is　100ev，　than

their　tracks　into　polymeric　substances　have　average　values　in　2，1nm．　Respectively　if

the　electrons　energy　is　about　10ev，　the　disturbed　layer　thickness　will　be　comparable

with　an　atomic　size．

　　　　Etched　samples　are　available　to　light　optical　and　different　electron　microscopic

modes　investigations．　For　TEM　investigations　we　have　prepared　replicas　by　vacuum

evaporation　and　depositlon　onto　polymeric　samples　surface　exclusively　of　carbon

ultrathin　films．　We　have　chosen　carbon　because　it　is　amorphous　according　to　SAED

data　and　have　its　grain　size　less　than　lnm．　Deposited　carbon　films　than　were　peeled

off　from　Polymeric　surfaces．　While　peeling　carbon　films，　replica　gets　no　plastic

deformation．　An　adhesion　of　vacuum　evaporated　carbon　film　to　etched　polymeric

surface　is　extremely　high．　This　fact　allows　to　make　fixed　the　morphology　of

investigated　samples　surface　which　are　separated　as　ultrathin　（approx．50nm　in

thlckness）solid　Iayer　from　an　original　sample　as　non－detachable　part　of　peeled

replica．　Hereinafter　we　used　this　polymeric　layers　for　SAED　search．　We　need　SAED

for　preparative　technique　correctness　control．　In　a　case　of　oriented　polymers　such

separated　from　original　polymeric　surface　layers　are　rather　suitable　to　answer　the

main　questions　about　chemical　nature　and　physica1（i．e．　orientation　degree，

crystallinity，　unit　cell　parameters，　crystallite　dimensions　ets．）state　of　investigated

materials．　For　example　the　data　on　helix　conformation　of　macromolecules　is　able　to

calculate　in　accordance　with　the　real　meridional　reflex　positlon　on　the　SAED　pattern

［2］．It　takes　to　clean　replica　after　SAED　investigation　to　obtain』 ＝@maximum　of

morphological　resolution．　Slnce　carbon　is　thermostable　material　up　to　approx．1700℃

one　can　easily　clean　replica　from　the　above　mentioned　polymeric　layer　by　heating　in

vacuum　to　the　temperature　about　400℃．

　　　　For　IPLM　investigations　lO－30　μm（prepared　by　using　glass　knife）and

400－100μm（steel　knife）thick　cross　sections　were　obtained　by　means　of

“Multirange”microtome（LKB，　Sweeden）．

lll．MORPHOLOGY　of　the　POLYPROPYLENE　BUTT－WELDS．

　　　　The　idea［3コof　polymeric　materials　morphology　implies　six　categories：（1）shape，

（2）dimensions（from　nanometers　and　more），（3）new　growth　or　new　formations，

（4）inclus三〇ns，（5）structure　（i．e．　relative　position　and／or　interconnection　of　parts　as　a

whole），（6）color．Change　in　any　of　them　results　in　properties　changes　of　materials．

　　　　Any　type　of　polymeric　material　welding　includes　three　main　stages：（1）activation

of　the　surfaces　to　be　weld；（2）surfhce　transition　to　a　liquid　state　of　aggregation　with　a

BULLETIN，　No。25，1993，　CGE　Ibaraki　Univ．

198 L．1．Bezruk，　Yu．　L．　Ustinova

subsequent　drawing　them　together　to　van－der－Waals　distances，　i．e．　getting　an　adhesion

joint；（3）solidification．

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　In　the　case　of　butt－welding　we　usually

心　Fユg．2　　Scheme　of　the　butt－welded

　joints；　a－fuse，　b－melting，　c－fin，

　d－heat　affected　zone3

found　to　be　positive（△n＝0．002－O．0035）．

crystallites　was　monoclinic（Fig．3a，b）．　Lattice

with　the　common　known　date，　a－axls

According　to　classification　these　are　Type　I　spherulites．　It

besides　Type　I　spherulites　a　number　of　Type皿

had　negative　birefrigance　（△n＝0，006－0．008）．

hexagona1．　In　starting　material　these　spherulites　amount　was　about　5％

　　　　With　an　increase　of　welding　pressure

simultaneously　with　their　deformation．

there　would　appear　in　joints　areas

hexagonal）．

　　　　It　should　be　noticed　that　the　welding　pressure　increases　the　thickness　of　a　joint’s

seam　cross　section　decreases．　One　can　see（Fig．4）that　the　seam　obtained　at　welding

pressure　more　than　O．3MPa　consists　mainly　2　zones：（a）central　part－from　deformed

spherulites　of　Type　I　and　皿，　and　lamellar　areas　with　monoclinic　and　hexagonal

crystallites　unit　cells；（b）symmetrical　melting　zones，　disposed　on　both　sides　of　the

region　marked“a”（Fig．2），i．e．　zones　where　polymeric　material　softened　in　a　course　of

heating　undergoes　the　greatest　welding　deformations．

　　　　It　is　clearly　seen　even　under　light　microscope　that　the　seam　morphology　at

different　crystallization　conditions　is　not　strictly　symmetrical　in　respect　to　the　joint

center（Fig．4）．　Interference　coloring　which　one　can　get　in　the　light　microscope（IPLM）

while　examine　samples　is　very　sensitive　to　the　most　delicate　changes　in　chemical

nature，　orientation　and　even　some　structural　parameters　of　polymers，　which　can’t　be

seen　with　the　aid　of　black　and　white　image。　We　have　not　apply　any　artificial　staining

of　samples．　It　is　evident　that　the　coloring　of　the　symmetrical　welding　zones　is

different．　The　central　fuse　line　of　the　seam　we　can　identify　in　many　cases　through

interference　coloring　only．　This　is　the　boundary　line　between　two　weldable　materials．

carry　out　stages（2）and（3）under　some　press－

ure．　As　a　result　melt　always　partly　pressed　out

and　forms　a　fin．　So　butt－welds　cross　sections

have　a　vlew　shown　on　Fig．2．　And　as　a　rule

they　have　two　more　or　less　symmetrical

boundaries　with　the　starting　materials．　Investi－

gated　samples　of　bulk　PP　contain　spherulites

with　an　average　size　of　50μm．　They　were

　　　According　to　our　SAED　data　unit　cell　of　its

　　　　　　　parameters　were　in　a　good　correlation

°　was　directed　along　the　spherulite　radius，

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　is　worth　mentioning　that

　　　　　　　　　spherulites　rises　in　the　joints．　They

　　　　　　　　　　Unit　cell　of　its　crystallites　was

　　　　the　content　of　Type　皿　spherulites　rises

If　this　pressure　reached　more　than　O．15MPa

with　lamellar　morphology　（unit　cell　being

Morphology　of　Polymeric　Materials　Welding　and　Their　　　　　　　　　　Butt－fusion　Welded　Joints．

199

We　also　can　find　out　orientation　changes　through　the　melting　zone　width．　Melting

zone　being　the　most　textured　area　of　a　seam。　For　the　samples　obtained　under　the　low

welding　pressure（up　to　O．15MPa）big　axes　of　macromolecules　in　crystallites　of　the

melting　zone　are　chiefly　oriented　under　the　angle　to　the　welding　line　in　a　seam　cross

section．　However　if　pressure　over　than　O．2MPa　the　big　axes　get　to　be　nearly　parallel

to　the　welding　plane．　Morphologically　this　zone　consists　of　highly　deformed　spherulites

which　one　can　find　in　a　course　of　longitudinal（in　the　sheet　plane）sections　of　welded

seams　research，　These　spherulites　are　ellipsoid－like，　having　crystallites　with　c－axes

oriented　mainly　along　ellipse　big　axes．　Evidently　deformation　occurs　in　a　course　of

welding　into　the　melting　zone　and　have　a　similar　mechanism　as　on　uniaxial

deformation　of　spherulitic　PP，

　　　　The　most　crucial　areas　of　the　welding　joints　are　the　fuse　zone，　forming　at　the

center　of　the　seam　and　the　melting　zones（Fig．2）．　Molecular　orientation　in　these　zones

is　one　of　the　reasons　of　joint　reduced　mechanical　strength．　Frequently　failure　take

place　on　the　heat　affected　zone　neighboring　the　seam（i．e．areas　in　which　a　material

was　subjected　the　action　of　temperature　Iower　than　the　melting　one　and　get　friable）．

This　area　is　now　investigated　insufficiently　good．

lV．　MORPHOLOGY　of　the　POLYBUTENE　WELDED　SEAMS．

　　　　There　are　many　similar　features　in　the　PP　and　PB　welded　seam　morphology

（e．g．　two　borders　with　an　initial　material　having　lamellar　morphology，　grinding　of

structural　elements，　texture　advent）．　There　are　a　range　of　morphological　areas　in

seams　for　PB　as　well　as　for　PP．　The　most　oriented　are：the　fuse　zone　and　the

melting　zone．　Under　welding　pressure　the　seams　PB　material　orients　more　strongly

than　the　PP　one．　Over　O．2MPa　PB　seams　have　practically　no　n6n－oriented　areas．

Morphology　of　PB　melting　zone　differs　from　the　morphological　characteristics　to　PP

and　other　crystallized　polymers　of　the　spherulite　morphology　origin．　Apparently　the

main　reason　which　causes　such　PB　difference　from　the　corresponding　zones　of　other

spherulitic　polymers　are　peculiarities　of　its　crystalllzation　from　the　melt．　It　is　known

that　PB　crystallize　from　melt　in　two　steps．　A　non－stable　tetragonal　modification

（Fig6，g）in　several　days　is　gradually　converts　to　a　stable　trigonal　forms（Fig．5）by

means　internal　annealing．　One　can　notice　that　such　conversion　is　easy　to　recognize　by

IPLM　and　WAXD　techniques．

　　　　Since　PB　crystallizes　from　lts　melt　rather　slowly　we　used　this　material　for

welding　process　modeling　by　means　videorecording　of　morphological　changes　during　a

course　of　PB　samples　welding（i．e．Heating－Cooling　treatment）．

　　　　Here　we　wish　to　present　the　result　of　the　dynamic　morphological　changes［4］

BULLETIN，　No．25，1993，　CGE　Ibaraki　Univ．

200 L．1．Bezruk，　Yu。　L．　Ustinova

during　a　course　of　modeling　welding　directly　under　Polarized　Light　Microscope

（Fig．6）．　Mettler　FP82　Microscopic　Heating　Table（MHT）with　FP80　Central　processor

of　Mettler　FP800　Thermal　Analysis　System　was　used　to　make　computer　control　of

welding，50℃　start　temperature　with　5．0℃／min　heating　rate　provided　in　this

modeling．　PB　thin（230　μm）film　was　cut　to　pieces　and　put　against　each　other

between　2　microscopic　support　glasses．　The　distance　between　selvages　to　be　weld

was　about　lmm．　Such“sandwich”was　placed　into　MHT　and　we　carried　out　welding

procedure　by　heating　our　sample　up　to　l70℃by　means　the　start　temperature　and

heating　rate　mentioned　above．

　　　　It　is　possible　to　notice　several　stages　of　welding　process．　At　first　we　saw　a

thermal　expansion　of　PB　films　by　means　of　spherulites　dimensions　increase　and

correspondingly　decrease　of　the　distance　between　selvages　to　be　weld．　Close　to　88℃

this　distance　became　twice　as　less（Fig．6a＞．　The　original　color　of　spherulites　slightly

changed　by　annealing．　It　means　unit　cells　parameters　changes　of　polymeric　crystals

have　already　started．　In　23　minutes　we　has　reached　l20℃temperature（Fig．6b）．　At

this　temperature　conditions　PB　color　change　becomes　highly　noticeable．　It　means　we

are　about　the　lst　order　phase　transition　temperature　of　PB（i．emelting　temperature）．

However　completely　state　of　melt　began　at　l30℃（Fig．6c）．

　　　　Since　we　did　not　apply　a　welding　pressure　to　joint　together　the　counterparts　of

PB　it　took　further　heating　till　l70℃．　About　165℃we　have　seen　an　adhesion　contact

appearance　by　means　of　dividing　line　onto　Fig．6c　disappearance．　So　butt－weld　of　PB

has　occurred．

　　　　After　that　cooling　process　was　carried　out　to　see　morphological　changes　in　a

course　of　crystallization．

　　　　Among　a　number　of　crystallizable　polymeric　materials　perhaps　PB　only　is　the

best　to　enjoy　us　by　its　slow　morphological　changes　during　a　course　of　crystallization

from　melt（Fig．6d－h）．　Since　monochromatic　view　of　PB　melt　is　changing　to

polychromatic　one　we　say　again　about　lst　order　phase　transition　temperature，

i．e．crystallization．　Of　course　for　this　way　of　phase　transition　determination　a　melting

temperature　is　equal　to　crystallization　one．　At　first　several　primary　spherulites　appear，

than　th6ir　dimensions　increase　little　by　llttle（Fig．6d，e）．　Approximately　about　105

℃（Fig．6f）we　have　the　best　crystallization　temperature　conditions，　but　for　so　called

tetragonal　modification　of　PB　crystallites（Fig．6f，g）．　As　it　was　mentioned　above　such

unstable　form　of　PB　crystallites　gradually（approx．7　days　at　room　temperature）

transforms　into　stable　trigonal　crystals　modification．　Spherulites　with　such　forms　of

PB　crystallites　are　shown　at　Fig．5．　Fig．6h　demonstrates　such　gradualness：

morphologically　it　seems　almost　like　as　Fig。6g，　but　has　differences　in　color　only．　The

picture　of　Fig．6h　has　taken　in　5　days　after　welding．

Morphology　of　Polymeric　Materlals　Welding　and　Their　　　　　　　　　　Butt－fusion　Welded　Joints．

201

　　　　So　as　a　result　of　butt－fusion　welding　morphological　changes　occur　in　the　welded

seams．1t　terms　in　appearance　of　the　range　of　areas　which　differs　on　shape，

dimensions，　structure　and　color　of　morphological　units．　The　most　crucial　areas　of

welded鼻eams　are　oriented　zones．　It　takes　to　disturb　orientation　in　these　zones　by

some　other　technological　processes，　e．g。　by　annealing．　Another　way　is　to　make

orientation　much　stronger　in　some　fixed　directions．　One　can　get　it　with　reinforceme－

nt．

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　REFERENCES

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BULLETIN，　No，25，1993，　CGE　Ibaraki　Univ，

202 L．Is　Bezruk，　Yu．　L．　Ustinova

a

b

Fig．3　TEM　patterns　of　the　PP　Type　I　spherulites：a－diffraction　patterns　from　its　center，　b－pe－

riphery；c－morphology．

Fig．40ptical　micrograph　of　the　PP　welded　seam　with　P＝0．3MPa，　hot　plate　temperature　300℃．

Seam　borders　with　the　initial　material　are　oriented．　White　color　spherulites　belong　to　the　Type

III　one，S．

Morphology　of　Polymeric　Materials　Welding　and　Their　　　　　　　　　　Butt－fusion　Welded　Joints，

203

a

b

Fig．5　Two　variants　of　the　PB　spherulites　with　the　trigonal　modification　of　its　crystals　observ－

ing：a－in　IPLM　mode；b－in　PLM（i．e．　without　interference　plate）mode．

BULLETIN，　No．25，1993，　CGE　Ibaraki　Univ．

204L．1．Bezruk，　Yu．　L．　Ustinova

a

b

Fig．6　Fragments　of　PB　welding　by　means　dynamic　morphological　changes．