Термоусадочная трубка и химия, лежащая в ее основе

Можно многое сказать в пользу того, чтобы как можно раньше привлекать детей к хакерству, но есть одна вещь в работе с электроникой, которую, я считаю, лучше оставить загадкой, по крайней мере, до подросткового возраста — прятать термоусадочную трубку. Научите их создавать макеты, предложите им выучить цветовую кодировку резисторов и закон Ома и даже научите их паять. Но не смей подпускать их к термоусадочной трубке. По глупости раскройте эти волшебные вещи детям, и если где-нибудь поблизости есть источник тепла, я гарантирую, что они взорвут весь ваш запас дорогих вещей, как только вы отвернетесь. Спроси меня, откуда я знаю.

Я шучу, но только отчасти. В применении термоусадочной трубки действительно есть что-то забавное, и нельзя отрицать, насколько приятным может быть заделка, когда она герметично запечатана внутри этого маленького кусочка необъяснимо дорогой трубки. Но как эта штука вообще работает?

Как и многие вещи в современной электронике, термоусадочные трубки были продуктом эпохи холодной войны. В середине 1950-х годов Пол Кук, инженер-химик с опытом радиационной обработки полимеров, основал компанию по разработке коммерческих приложений радиохимии, метко названную Raychem Corporation.

Одно из ключевых нововведений Кука было в области сшивки полимеров. Напомним, что полимеры представляют собой длинные цепочки мелких субъединиц. В случае пластмасс большинство субъединиц представляют собой небольшие органические мономеры; винил полимеризуется в поливинилхлорид, а уретан становится полиуретаном. Эти цепи могут иметь длину многие сотни или тысячи мономеров, а количество и ориентация цепей во многом определяют свойства материала. Но полимерные цепи также могут связываться по всей длине или сшиваться, образуя сети цепей и приводя к различным свойствам материала.

Сшивание можно осуществить многими способами: нагреванием, добавлением химических сшивающих соединений или изменением давления или pH. Радиацию также можно использовать для образования поперечных связей, и именно здесь пригодился опыт Кука. Он знал, что сшивка некоторых пластиков радиацией может изменить их термические свойства и вызвать у пластика «память». Затем сшитый пластик можно было нагреть выше предыдущей точки плавления, растянуть и охладить. Кристаллы образовывались, чтобы зафиксировать расширенную форму, но при последующем нагревании кристаллы плавились, высвобождая энергию, накопленную в поперечных связях, и возвращая пластик к его предварительно растянутым размерам.

Процессы, очевидно, различаются в зависимости от производителя, но большинство современных термоусадочных трубок создаются практически одинаково. Пластиковые гранулы нагреваются и экструдируются в трубку с диаметром и толщиной стенок, соответствующими желаемым размерам окончательной усадки. Сшивка облучением происходит после экструзии, тогда как химическая сшивка происходит во время изготовления пластика и фазы экструзии. Какой тип излучения используется, зависит от пластика и обычно является коммерческой тайной. ПВХ, полиэтилен, полиамиды и другие материалы могут быть сшиты электронно-лучевой обработкой, в то время как для других полимеров требуется источник альфа- или гамма-излучения или даже УФ-свет или радиочастотное излучение.

Затем сшитую трубку растягивают, обычно под давлением воздуха, до желаемого размера предварительной усадки. Многие трубки расширяются в два раза по сравнению с первоначальным диаметром, и в этом случае их называют трубками «2:1». Расширенная трубка охлаждается, фиксируя кристаллическую структуру, пока ее снова не нагреют при применении.

Помимо свойств самого пластика и его характеристик усадки, производители на протяжении многих лет добавляли к термоусадочным трубкам ряд специализированных обработок. Красители часто добавляются, чтобы конечные пользователи могли маркировать соединения цветом, хотя прозрачные трубки используются в тех случаях, когда важна проверка того, что находится внутри готового соединения. В трубки, предназначенные для наружного применения, добавляются составы, блокирующие УФ-излучение. Иногда клейкая подкладка экструдируется совместно с основной трубкой, часто активируемой при нагревании. Когда трубка повторно нагревается, клейкая подкладка плавится по мере того, как трубка сжимается, образуя водонепроницаемое уплотнение. Тот же подход можно использовать для создания проводящей подкладки либо из проводящих полимеров, либо из настоящего припоя. Производители теперь даже печатают термоусадочные трубки по индивидуальному заказу, чтобы пользователи могли идентифицировать соединения.