8. NÄYTTEIDEN VALMISTUS
8.4 Polyuretaanikomposiittinäytteiden valmistus
Kuva 47. Tehosekoitinkäsittely ja käsitelty hamppukuitu.
Kuvassa 48 on esitetty hamppukuidun kuva ennen ja jälkeen käsittelyn. Hamppukuidun väri ja koko on muuttunut käsittelyn aikana. Käsitelty kuitu on vaaleampaa, eikä siinä ole jauhoisia partikkeleja mukana.
Kuva 48. Hamppukuitu alkalikäsittelyä ennen ja sen jälkeen.
8.4 Polyuretaanikomposiittinäytteiden valmistus
Käytettyjen fillerien käytöstä ei ollut aikaisempaa kokomusta, joten näytteen valmistami-nen alkoi etsimällä sopivia sekoitusparametreja. Työn aikana ilmeni, että polyuretaa-nikomposiittinäytteiden valmistaminen on merkittävästi kiinni vallitsevista valmistusolo-suhteista. Ilmankosteus on yksi merkittävimmistä virhetekijöistä ja etenkin kesäaikaan näytteiden valmistus on todella haastavaa. Valmistusta varten tulee varata tila, jonka il-mankosteus olisi mahdollisimman pieni. Etenkin lyhytketjuiset diolit ovat todella hygro-skooppisia ja keräävät herkästi kosteutta ilmasta. Vesi reagoi helposti isosyanaattien
kanssa muodostaen hiilidioksidikuplia lopulliseen materiaaliin. Myös esipolymeeriin ja polyoleihin kerääntyy hieman kosteutta ilman mukana, mutta raaka-aineiden vakumoin-nilla voidaan minimoida negatiiviset vaikutukset materiaaliin.
Valmistuksessa käytetyt systeemit poikkeavat valmistustavaltaan toisistaan. Esipolymee-risysteemiin perustuvien näytteiden valmistaminen on systeemeistä yksinkertaisempi.
Fillerit voidaan käytännön syistä lisätä vain esipolymeerin joukkoon, koska ketjunjatka-jan määrä on liian pieni vastaanottamaan haluttu osuus filleriä. TDI-systeemin ilmausaika oli vahvasti lämpötilariippuvainen fillerien lisäyksen jälkeen. Ilmauslämpötila nostettiin 70 °C, jotta seoksen viskositeetti pysyi mahdollisimman pienenä ja vakumointiaika lyhy-enä. Quasi-systeemin raaka-aineet ovat viskositeetiltaan pienempiä verrattuna esipoly-meerisysteemeihin ja vaativat vähemmän lämmitystä. Testeissä käytetyn MDI-systeemi prosessointilämpötila pyrittiin pitämään valmistajan suosittelemassa 50 - 60 °C lämpöti-lassa.
Näytteiden valmistuksessa tulee myös huomioida raaka-aineiden täydellinen sulaminen, mikäli ne ovat kiinteytyneet varastoinnin aikana. Sulatusprosessi on usein ilmoitettu val-mistajan antamissa tuote-esitteissä. Testeissä käytettyjen esipolymeerien ja polyolien su-latus tapahtui 16 h aikana 85 °C lämpötilassa. Tämän jälkeen materiaalit olivat sulaneet täysin nestemäiseksi. Raaka-ainetta sekoitettiin astiassa ennen käyttöä, jotta aine on tasa-laatuista.
Tutkimuksissa fillereille sovellettiin vuorokauden kuivumisaikaa 120 °C:ssa. Fillerien uunikuivauksessa tulee huolehtia fillerin levittämisestä laajalle pinta-alalle, jotta kuivu-minen olisi mahdollisimman tehokasta. Useissa tapauksissa fillerit ja kuidut sisältävät partikkeleihin sitoutunutta vettä. Selluloosaa sisältävät fillerit ovat selluloosan myötä hy-groskooppisia. Myös inorgaaniset fillerit, kuten savifillerit, pitää kuivata uunissa huolel-lisesti ennen käyttöä. Näytteiden valmistuksessa fillerit kuivattiin laittamalla ne leivinpa-perilla päällystettyyn lasivuokaan. Kuivumisen vaikutuksesta voi nähdä viitteitä tarkas-telemalla fillerien värinmuutosta. Filleri tulee ottaa uunista vasta juuri ennen lisäystä, jotta se ei ehdi keräämään paljoa kosteutta ilmasta.
Pienet filleripartikkelit aiheuttavat polyolin viskositeetin kasvua. Liian suuri sekoitusno-peus aiheuttaa ilmakuplia materiaaliin. Kasvaneen viskositeetin myötä niiden poisto on haastavaa, eikä onnistu kohtuullisessa ajassa perinteisellä vakuumi-ilmauksella. Pitkä il-mausaika voi heikentää dispersiota filleripartikkelien agglomeroitumisen kautta. Ratkai-suna tähän voisi olla sekoituslaitteisto, jossa leikkausvoimat eivät aiheudu pyörivästä te-rästä vaan sekoitus tapahtuisi voimakaan sekoitusastian rotaation avustuksella tai sonikoi-malla.
Raaka-aineiden ilmaus suoritettiin erikseen valmistetussa vakuumikammiossa, joka on sijoitettu lämmityslevyn päälle. Lämmitys levyllä pystyttiin vaikuttamaan
vakuumikam-mion lämpötilaan ja pitämään esipolymeerin lämpötila sopivalla tasolla ilmauksen ai-kana. Lämmitys tehosti ilmausta selvästi. Kuplinta saattoi tästä huolimatta jatkua jopa usean tunnin ajan. Kuplimisaikaan vaikutti erityisesti materiaalin partikkelikoko. Hamp-pukuitupartikkelit lopettivat kuplimisen suhteellisen nopeasti, kun taas MMT ja m-MMT partikkelit saattoivat kuplia filleri osuudesta riippuen usean tunnin. MCC lopetti kuplimi-sen nopeasti, mikä todennäköisesti johtuu suuremmasta partikkelikoosta ja pienemmästä SSA:sta. Fillerien sekoittamistekniikalla oli ilmaustulokseen selvä vaikutus. Mikäli se-koittamisessa käytettiin suurta nopeutta, materiaali kupli voimakkaasti. Käsin sekoittami-nen on selvästi parempi vaihtoehto ilmauksen kannalta.
Ilmauslaitteiston tehoon vaikuttaa käytetty ilmauspumppu ja sen huippualipaine. Valmis-tuksen aikana huomattiin, että raaka-aineiden ilmaukseen tarvitaan minimissään 3,726 mPa (=28 inHg) alipaine. Ilmaus on tehokasta vasta tämän rajan alapuolella ja m-MMT:llä tämä raja on vielä matalampi (n. 1 mPa).
Polyuretaaninäytteiden paremman laadun vuoksi, myös käytetyt muotit tulee uunittaa.
Valmistaja ilmoittaa tavallisesti sopivan lämpötilan muotille. Työssä käytetyt muotit kuu-mennettiin 110 °C uunissa vähintään tunnin verran, minkä jälkeen muotti puhdistettiin ja käsiteltiin irrotusaineella. Tämän jälkeen muotti laitettiin vielä takaisin uuniin, jotta irro-tusaineen liuotin ehtii haihtua ennen näytteiden valmistusta ja muotti on ennen käyttöä sopivassa käyttölämpötilassa. Myös käytetyt sekoituslastat uunitettiin mahdollisen kos-teuden minimoimiseksi.
8.4.1 Näytteiden valmistusohje
Näytteiden valmistus tapahtui tarkistamalla raaka-ainetoimittajan antamat prosessointi-lämpötilat polyuretaanille ja huolehtimalla fillerien kuivauksesta ennen käyttöä. Mikäli fillereissä on kemiallinen modifiointi, pitää kuivauslämpötila sovittaa siten, ettei se vai-kuta modifiointikemikaaleihin.
Fillereille laskettiin pitoisuuden mukainen osuus. Fillerien määrä laskettiin käytetyn esi-polymeerimäärän mukaisesti painoprosenteiksi kaavalla 5. Kaavassa m tarkoittaa massaa ja sen alaindeksissä on ilmoitettu aineen tunniste. X on fillerin haluttu osuus desimaileina.
Suhdeluvut on määritetty valmistajan antamien arvojen ja isosyanaattipitoisuuden mu-kaan. Kaavassa 6 on johdettu kaava muotoon, josta saadaan tarvittava fillerin massa esi-polymeerin ja ketjunjatkajien massan mukaan halutulla m-% prosentilla.
X = (
mFilleri(mFilleri+mEsipolymeeri+mKetjunjatkaja)
)
(5)m
Filleri = X×(mEsipolymeeri +mKetjunjatkaja) (1−X)(6) Fillerin lisäys tapahtui teräslastalla. Fillerien mahdolliset paakut pyrittiin poistamaan li-säämällä filleri pienen metallisen sihdin läpi lusikalla painelemalla. Valmistuksessa huo-mattiin, että tällä on suuri vaikutus näytteiden laatuun varsinkin m-MMT osalta. Lisäys on hidasta, mutta menetelmä helpottaa sekoittamista ja porasekoitusta ei tarvita. Porase-koitus lisää huomattavasti ilmaa materiaaliin, jonka pois saaminen ilmauksella on haas-tavaa fillerin lisäyksen jälkeen. Etenkin m-MMT filleri kasvatti viskositeettia ja pienensi pintajännitystä. Tämä heikensi kuplien puhkeamista ja ilman poistumista ilmauksen ai-kana. Filleri lisättiin TDI-sarjassa esipolymeeriin ja MDI-sarjoissa polyoliosaan.
Näytteidenvalmistus noudattaa seuraavia toteutuksia systeemistä riippuen:
1. Punnitaan esipolymeeriä näyteastiaan muotteihin sopiva määrä ja otetaan lukema ylös.
2. Lasketaan esipolymeerin määrää vastaava fillerimäärä.
3. Lisätään filleri materiaaliin ja sekoitetaan lastalla.
4. Kun filleri on sekoittunut, eikä kuivaa jauhetta näy, siirretään astia lämmitettyyn ilmausastiaan. Sekoituslasta pidetään mukana astiassa.
5. Ilmausta jatketaan niin kauan, kuin kuplia nousee. Aika voi vaihdella muutamasta minuutista useaan tuntiin riippuen sekoituksesta ja fillerien laadusta.
6. Kun kuplinta on loppunut, näyte nostetaan vaa’alle ja lisätään ketjunjatkaja vas-taavassa suhteessa.
7. Näytettä sekoitetaan vähintään minuutti sekoituslastalla ja varmistetaan, että as-tian reunoille jäänyt materiaali tulee sekoitukseen mukaan.
8. Sekoituksen jälkeen seos kaadetaan kuumille muoteille ja muotteja kallistamalla varmistetaan, että muotti täyttyy halutulla tavalla.
9. Muottien annetaan olla tasaisella tasolla, jotta materiaali levittyy tasaiseksi ker-rokseksi.
10. Muotti siirretään uuniin uunituslämpötilaan tasaiselle pinnalle.
11. Näytteen annetaan olla uunissa valmistajan ilmoittaman ajan.
12. Näyte irrotetaan muotista ja annetaan jäähtyä tasaisella pinnalla.
Quasi-systeemin näytteiden valmistus noudattaa seuraavaa toteutusta:
1. Ilmataan käytettävä raaka-aineet.
2. Punnitaan polyolia näyteastiaan ennalta määritetty määrä ja otetaan lukema ylös.
3. Lasketaan määrää polyolia vastaava fillerimäärä.
4. Lisätään filleri materiaaliin ja sekoitetaan lastalla.
5. Kun filleri on sekoittunut, eikä kuivaa jauhetta näy, siirretään astia lämmitettyyn ilmausastiaan. Sekoituslasta pidetään mukana astiassa.
6. Ilmausta jatketaan niin kauan, kuin kuplia nousee. Aika voi vaihdella muutamasta minuutista useaan tuntiin riippuen sekoituksesta ja fillerien laadusta.
7. Kun kuplinta on loppunut, näyte nostetaan vaa’alle ja lisätään esipolymeeriä vas-taavassa suhteessa.
8. Lisätään ketjunjatkajaa vastaavassa suhteessa ja sekoitetaan seos sekoituslastalla.
9. Näytettä sekoitetaan vähintään minuutti sekoituslastalla ja varmistetaan, että as-tian reunoille jäänyt materiaali tulee sekoitukseen mukaan.
10. Sekoituksen jälkeen seos kaadetaan kuumille muoteille ja muotteja kallistamalla varmistetaan, että muotti täyttyy halutulla tavalla.
11. Muottien annetaan olla tasaisella tasolla, jotta materiaali levittyy tasaiseksi ker-rokseksi.
12. Muotti siirretään uuniin uunituslämpötilaan tasaiselle pinnalle.
13. Näytteen annetaan olla uunissa valmistajan ilmoittaman ajan.
14. Näyte irrotetaan muotista ja annetaan jäähtyä tasaisella pinnalla.
8.4.2 Näytesarjat
Ensimmäiset kolmen näytesarjaa etsittiin sopivia valmistusparametreja, kuten ilmausai-kaa ja lämpötiloja. Ensimmäiset sarjat kärsivät monista virhetekijöistä, joiden vuoksi näytteiden laatu ei ollut riittävä. Neljännessä näytesarjassa valmistaminen onnistui riittä-vällä tasolla ja näytteet sopivat testattaviksi.
Tutkittu näytesarja jaettiin kaksiosaiseksi käytettyjen matriisien osalta. Matriiseina käy-tettiin sekä TDI- että MDI-pohjaisia polyuretaaneja valmistaja suosittelemilla raaka-ai-neilla. Fillereinä käytettiin valikoituja fillereitä. TDI-sarjaan lisättiin uutena fillerinä al-kalikäsitelty hamppukuitu. Fillerimäärät laskettiin MMT-näytteiden osalta pienemmäksi johtuen käsin sekoittamisen hankaluudesta suurilla fillerimäärillä. Hamppukuitumäärä pidettiin käsin sekoituksen kannalta sopivassa 1,1 m-% täyteainemäärässä. Tätä korke-ammalla tasolla sekoituksesta tuli epätasalaatuinen ja raaka-aineet eivät kyenneet reagoi-maan riittävän tehokkaasti. Taulukossa 14 ja 15 on lueteltu neljännen sarjan näytteiden koostumukset.
Taulukko 14. Neljännen näytesarjan TDI-pohjaiset näytteet.
Matriisi Lujite Osuus [m-%] Osuus [m-%] Osuus [m-%] Osuus [m-%]
Taulukko 15. Neljännen sarjan MDI A-, B- ja C-sarjan näytteet.
MDI-näytteiden kohdalla tutkittiin lisäksi lepoajan merkitystä mittaustuloksiin vaikutta-vana tekijänä, sekä korotetun lämpötilan vaikutusta ominaisuuksiin. Filleripitoisuudet va-littiin aikaisempien kokeiden perusteella näytteiden sekoitettavuus ja vaikutus huomioi-den. Korotetulla uunituslämpötilalla tutkittiin, miten lämpötilan nosto vaikuttaa näyttei-den arvoihin.
Taulukossa 15 ilmenevällä lepoajalla tarkoitetaan uunituksen jälkeistä aikaa, jolloin näyt-teiden annetaan levätä huoneenlämpötilassa ennen testaamista. MDI-näytteet on valmis-tettu näytteiden valmistusohjeiden mukaisesti. B- ja C-sarjassa on käytetty 110 - 120 °C uunituslämpötilaa ja pidempää lepoaikaa. A-sarjassa ei tutkittu näytettä MCC 3%, koska sen valmistus epäonnistui eikä materiaalin laatu ollut riittävä antamaan riittävän uskotta-via tuloksia.
Sarja Matriisi Lujite Osuus [m-%] Uunituslämpötila [°C] Uunitusaika [h] Lepoaika [vrk]
-