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Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.25673/3566
Title: Investigations on the adhesion of polyurethane foams on thermoplastic material systems
Author(s): Mahmood, Nasir
Granting Institution: Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Issue Date: 2005
Extent: Online-Ressource, Text + Image
Type: Hochschulschrift
Language: English
Publisher: Universitäts- und Landesbibliothek Sachsen-Anhalt
URN: urn:nbn:de:gbv:3-000007920
Subjects: Elektronische Publikation
Zsfassung in dt. Sprache
Abstract: In dieser Arbeit wurden eine Reihe unterschiedlicher Methoden angewendet, um die Adhäsion von Polyurethan(PU)-Schäumen auf verschiedenen Thermoplasten (TP) zu untersuchen. Auf die Eigenschaften der Grenzschicht und den Einfluss der beteiligten Materialien wurde hierbei besonderes Augenmerk gelenkt. Bei den Untersuchungen fanden drei verschiedene PU-Schaum-Systeme (PU-a, PU-b und PU-c) sowie fünf verschiedene TP Materialien Verwendung. Die PU-Schäume basierten auf 4,4/-Diphenylmethan Diisocyanat (MDI) und Polyether Polyolen (basierend auf Polypropylen- and Polyethylen-Oxiden (PPO und PEO)) mit geringen Anteilen aus Polystyren-co-Acrylonitril Dispersionen. Die PU-Schaum-Systeme unterschieden sich nur in den zugegeben Additiven und dem Wassergehalt. Die Mischungen erhielten dadurch verschiedene Reaktivitäten, d.h. PU-a war das langsamste und PU-c das schnellste System. Die TP-Materialien waren unterschiedliche Blends aus Polycarbonat (PC), Poly(styrene-co-maleic anhydride) (SMA), acrylonitrile butadiene styrene polymer (ABS) und silicone acrylate rubber (SAR) sowie zusätzlich ein Copolymer aus SMA. Ferner waren zwei TP-Materialien Glassfiber-Fasern zugesetzt worden. Für die Untersuchungen wurden die PU-Schäume direkt auf vorgefertigten TP-Platten synthetisiert. Die Stärke der Adhäsion der PU-Schäume auf den TP-Platten wurde mittels Peel-Test bestimmt. Zur Bestimmung der Langzeitstabilität wurden die Proben in einer Klimakammer unter wechselnden äußeren Bedingungen (bis zu 80% relative Feuchte) gelagert und erneut untersucht. Vor der Klimabehandlung zeigten die Systeme PU-a und PU-b mit Abzugskräften von 6 + 0.5 N bei allen TP-Materialien die beste Adhäsion. Das System PU-c zeigte nur bei dem SMA-TP gute Adhäsion und lag sonst bei einer Kraft von 2 + 0.5 N. Die geringere Adhäsion des PU-c Schaumsystems kann auf die höhere Reaktivität zurückgeführt werden, d.h. die Oberfläche wird nicht mehr so gut benetzt und die Zeit, die zur Diffusion zur Verfügung steht, wird verringert. Der Peel-Test zeigte bei den Proben mit guter Adhäsion ein kohäsives Versagen, d.h. ein Reißen der PU-Schicht. Bei geringerer Adhäsionsstärke wurde die PU-Schicht vollständig von der TP-Platte abgezogen (adhäsives Versagen). In Verbindung mit SMA-TP zeigten die Proben PU-a und PU-b auch nach der Klimabehandlung kohäsives Versagen, während die Proben mit den anderen TP-Materialien nun - wie beim System PU-c - adhäsives Versagen zeigten. Die gute Adhäsion auf SMA-TP kann durch eine chemische Reaktion mit Isocyanat hervorgerufen worden sein. Untersuchungen mit FTIR-ATR haben gezeigt, das reines MA mit Isocyanate zu Imiden reagieren kann. Messungen mittels AFM (Atomic force microscopy), XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) und ToF-SIMS (time of flight secondary ion mass spectrometry) haben gezeigt, dass auch bei adhäsivem Versagen Reste von PU-Schaum auf der TP-Oberfläche verblieben und die Oberflächeneigenschaften prägten. Die Grenzschicht des PU-Schaumes zum TP-Material besteht aus einem dünnen PU-Film, der mit TEM (transmission electron microscopy) und NR (neutron reflection) näher untersucht wurde. Es wurde hier eine Struktur aus 300 bis 400 nm dicken Schichten parallel zur Oberfläche gefunden.
The adhesion of PU foams on different TP material systems was investigated to understand the behavior and relative contribution of each material at interface by employing different techniques. During the course of these studies, three different PU foam systems (PU-a, PU-b and PU-c) and five different TP material systems were investigated. The PU foams were based on 4,4/-diphenylmethane diisocyanate (MDI) and poly(propylene) and poly(ethylene) oxide (PPO and PEO) based polyether polyols containing poly(styrene-co-acrylonitrile) dispersions to a minor extent. The PU foam systems differ from each other on the basis of added additives and the water content. The three foam system also differ from each in reactivity with an increasing order, i.e., PU-a Peel test measurements have been carried out to investigate the adhesion properties of PU foams with different TP materials before and after climate treatment (aging test). PU-a and PU-b foam systems have shown the best adhesion with a peel force of 6 + 0.5 N with all TP material systems before climate treatments. The PU-c foam system (highly reactive foam) has shown weak adhesion with a peel force of 2 + 0.5 N with PC containing TP materials, but it has good adhesion with SMA TP material. The low peel force for PU-c foam system with can be due to the fact that the highly reactive foam system (PU-c) does not completely wet and diffuse at the surface of TP materials due to this it has weak adhesion compared to the less reactive foam systems. The observed mode of failure in PU-a and PU-b foam systems was cohesive failure. But in PU-c foam system it was adhesive failure. The adhesive failure occurs when both materials separate from interface, whereas the cohesive failure is followed by the failure from inside the foam material. The aging of PU foam/TP material adhesive joint was simulated using different climate conditions. In case of PC containing TP material the PU foam/TP material adhesion was strongly reduced in a climate cycle with 80% relative humidity (RH) conditions, i.e. the cohesive failure was changed to adhesive. In SMA TP material the PU foam/TP material interface remains nearly unaffected (i.e. cohesive failure) even after long climate treatments with high RH. The reason for this can be the reaction process of SMA TP material with isocyanate. The neat MA reacts with isocyanate as studied by FTIR-ATR to give imide bond and this is the reason why PU foam show better adhesion results with SMA TP material even after long time climate treatments compared to the other TP materials. The atomic force microscopic (AFM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and time of flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS), results revealed PU foam related parts remaining at the TP material surface even after adhesion failure. After foaming on TP material a thin PU film was observed and the transmission electron microscopy and neutron reflection studies have shown that the film is structured in layered morphology with a thickness of 300 to 400 nm.
URI: https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/10351
http://dx.doi.org/10.25673/3566
Open access: Open access publication
Appears in Collections:Hochschulschriften bis zum 31.03.2009

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