Uusien polyuretaanimateriaalien kehittäminen

Abstract

Polyuretaanielastomeerit ovat jaksottaisia sekapolymeerejä, jotka muodostuvat vuoroittaisista joustavien ketjujen segmenteistä ja hyvin polaarisista kovista segmenteistä. Kemiallinen rakenne ja ominaisuudet riippuvat käytetyistä reaktiokomponenteista. Pehmeän segmentin muodostaa polyoli ja kovan segmentin muodostaa yleensä di-isosyanaatti ja ketjunjatkaja. Polyuretaanielastomeerien valmistus tapahtuu valamalla, jolloin reaktiokomponentit ovat nestemäisiä.

Työssä tutkittiin kahta perusmateriaalia ja yhden lisäaineen vaikutusta niiden ominaisuuksiin. Erityisesti kiinnitettiin huomiota dynaamisiin ja mekaanisiin ominaisuuksiin ja verrattiin aineita keskenään. Käytettyjä karakterisointimenetelmiä olivat kontaktikulmamittaukset, DMTA-mittaukset, dynaaminen rasittaminen pyörityslaitteella, elektronimikroskopia, hydrolyysitesti, vetotesti ja kulutustesti. Tutkittujen materiaalien pääasiallinen käyttökohde on pyörä- tai telapinnoitteena.

Työn aikana kehitettiin pyörityslaite, jolla voitiin tutkia pinnoitemateriaalin käyttäytymistä halutuissa rasitusolosuhteissa. Lisäaineen vaikutus dynaamisiin ominaisuuksiin oli negatiivinen tai olematon, sillä DMTA-testien perusteella lisäaine kasvatti materiaalien häviötekijää (tan d). Pyöritystestien perusteella lisäaineella ei ollut vaikutusta hystereesiin eli pinnoitemateriaalin lämpenemiseen testin aikana. Uusi tutkittu materiaali osoittautui dynaamisissa kokeissa paremmaksi kuin vanha tuotantomateriaali. Lisäaine kasvatti molempien tutkittujen aineiden pintaenergiaa kontaktikulmamittausten perusteella. Tuotantoaineen vetomurtolujuus kasvoi lisäaineen vaikutuksesta, mutta uuden aineen vetomurtolujuus pieneni. Lisäaineella oli lievä hydrolyysiltä suojaava vaikutus tutkituilla perusaineilla. Uusi tutkittu perusmateriaali sieti hydrolyysiä paremmin kuin tuotantomateriaali, koska sen valmistuksessa käytettiin polyeetteripolyolia ja tuotantomateriaalissa polyesteripolyolia.

Polyurethane elastomers are block copolymers with two distinctive blocks or segments. The hard segment consists of diisocyanate and the chain extender and the soft flexible segment consists of polyol. The properties of PUR elastomers depend heavily on the used reaction components. The manufacturing of PUR elastomers happens usually by the casting method, while the reaction components are in liquid phase.

Two basic PUR elastomer materials were studied during the work, and the effect of an additive on their properties. Special attention was paid to mechanical and dynamical properties of the materials. During the work the following characterization methods were used: contact angle measurements, DMTA measurements, dynamical testing with wheel testing apparatus, electron microscopy, hydrolysis measurements, tensile testing and abrasive testing. The studied materials are mainly used in coatings of rollers and wheels.

During the work a special test apparatus for wheels was devised, which can be used in researching of coating materials in a certain dynamical strain situation. The effect of the additive on the dynamical properties was negative or negligible. On the basis of the DMTA measurements the additive increased the loss factor tan d of the materials. On the basis of the wheel apparatus tests the additive had a negligible effect on the hysteresis of the materials. The new basic material had better dynamical properties than the old production material. The contact angle measurements showed that the additive increased the surface energy of both basic materials. The ultimate tensile stress of the production material was increased by mixing the additive in the material. The additive did not have a similar effect on the new material, but quite on the contrary; it decreased the ultimate tensile stress of the new material. The additive had a slight protective effect against hydrolysis. The new basic material endured hydrolysis better than the present production material because of its different polyol type.