Polyurethane Elastomers : Protective Coating Solution for Polymeric Composites

Abstract

To reduce weight of the new military vehicles in-development, one suggested method is to replace vehicle hull structures entirely or partly with fiber-reinforced polymeric composite structures. Issue is that these polymeric composite structures are prone to develop structural damage when subjected to impacts and other mechanical wearing, degrading their performance properties. In this thesis it was experimentally studied if damage formation in composite structure could be prevented or significantly diminished by applying protective elastomeric polyurethane coating on composite structures Specimens in the experimental section were polymeric sandwich composite structures with foam core between fiber-reinforced laminate skins, which then had elastomeric polyurethane coating on their face-side laminate skin. The specimens were rectangular pieces with dimensions of 100x150 mm, and the elastomeric polyurethane coating was applied in hot cast polyurethane process. Test point variables were related to hardness and coating thickness of the polyurethane coating. Reference specimens did not have coating, but they otherwise had gone through same pre-coating processing. For test series with variable coating thickness, testing points were 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm and 30 mm, while coating hardness was constant of 90 Shore A. For test series with variable coating hardness, testing points in Shore scales were 80A, 90A and 60D while coating thickness was constant of 10 mm. The prepared specimens were subjected to low velocity impact event using drop-weight impact tower. The specimens were then inspected for externally detectable damages formed as result of the impact event. In order to observe internal damage types, specimens were cut to cross-sections using cut-off machine. Due to tough nature of polyurethane coating, specimens with 15 mm or higher coating thickness could not be cut open, so internal damage types could only be observed from specimens with 5 mm and 10 mm coatings. As result of impact event, uncoated reference specimen had totally broken so it was not worthwhile to study damage types in detail: it was simply considered to be destroyed. For coated structures, the most significant external damage was observed at impactor hit point on specimen surface in forms of coating surface breakage and dent formation in coating. Internal damage was observed in composite structure part within immediacy of impactor hit point, especially below it: the main internal damage types detected were delamination and fiber fracture in face-side laminate, and shattering and fractures in foam core layer. As the coating thickness increased from 5 mm to 10 mm while the coating hardness remained at 90A, both external and internal damage types observed reduced significantly. As the coating hardness increased from 80A to 60D while the coating thickness remained at 10 mm, the amount of internal damage observed reduced significantly. The observable external damage changed as well: surface breakage of coating reduced while depth of remaining dent increased. Coating with thickness of 10 mm and hardness of 60D offered the most efficient protection for the below composite structure: the least internal damage was observed in cross-sections from this test point. If visually detectable denting of protective coating is unacceptable, specimens combining coating thickness of 10 mm and hardness of 90 Shore A had the best all-round performance.

Yksi keino vähentää uusien kehitettävien sotilasajoneuvojen painoa on korvata ajoneuvon runkorakenteita kokonaan tai osittain kuitulujitteisilla polymeerikomposiittimateriaaleilla. Ongelmana on, että tämäntyyppisiin komposiittirakenteisiin muodostuu helposti rakenteellista vauriota, kun ne altistuvat mekaanisille iskuille ja kulumiselle: tämän seurauksena komposiittirakenteen suorituskykyyn liittyvät ominaisuudet heikkenevät. Tässä diplomityössä tutkittiin olisiko mahdollista parantaa komposiittirakenteen vaurionsietokykyä lisäämällä sen pintaan suojaava polyuretaanielastomeeripinnoite. Kokeelliset näytteet perustuivat sandwich-tyypin komposiittirakenteeseen: vaahtoydin kuitulujitteisten laminaattiskinien välissä. Näytteet olivat suorakaiteen muotoisia, mitoiltaan 100x150 mm. Polyuretaanielastomeeripinnoite lisättiin komposiittirakenteen uloimman laminaattiskinin pintaan polyuretaanivaluun perustuvassa prosessissa. Valmistetut koepisteet liittyivät polyuretaanipinnoitteen kovuuteen ja paksuuteen: referenssinäytteissä ei ollut pinnoitetta, mutta muuten ne kävivät läpi samat pinnoitukseen liittyvät esivalmistelun työvaiheet. Pinnoitteen paksuuteen liittyvässä koepistesarjassa pinnoitteen kovuus oli 90 Shore A, ja tutkittavat pinnoitteen paksuudet olivat 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm ja 30 mm. Pinnoitteen kovuuteen liittyvässä koepistesarjassa pinnoitteen paksuus oli 10 mm, ja tutkittavat pinnoitteen Shore-kovuudet olivat 80A, 90A ja 60D. Valmistetut näytteet altistettiin matalan nopeuden iskulle käyttäen pudotusiskukoelaitteistoa, jonka jälkeen näytteistä tarkastettiin iskemisen seurauksena muodostuneet ulkoisesti havaittavat vauriot. Sisäisesti muodostuneiden vaurioiden tarkastelua varten näytteet oli tarkoitus leikata auki poikkileiketyylisesti, mutta polyuretaanipinnoitteen lujuuden vuoksi leikkaus onnistui vain pinnoitepaksuuksilla 5 mm ja 10 mm. Tämän seurauksena sisäisiä vaurioita ei voitu tarkastella näytteistä, joissa pinnoitteen paksuus oli 15 mm tai enemmän. Iskulle altistamisen seurauksena pinnoittamaton referenssinäyte hajosi täysin, joten muodostuneita vaurioita ei ollut kannattavaa tarkastella yksityiskohtaisesti: näytettä pidettiin yksiselitteisesti tuhoutuneena. Pinnoitetuissa näytteissä ulkoista vauriota havaittiin pääasiassa pinnoitteessa siinä kohtaa näytettä, johon vaurioittava isku oli kohdistettu: ulkoisesti havaittavissa olevat merkittävimmät vauriot liittyivät pinnoitteen pinnan rikkoutumiseen ja pinnoitteen pysyvään painaumaan. Sisäistä vauriota havaittiin itse komposiittirakenteessa iskukohdan läheisyydessä, erityisesti suoraa iskukohdan alla. Havaitut sisäiset vauriot liittyivät pääasiassa pinnan laminaatin delaminaatioon ja kuitumurtumaan, ja vaahtoydinkerroksessa vaahdon särkymiseen ja murtumiin. Pinnoitteen paksuuden kasvaessa 5 mm:stä 10 mm:iin pinnoitteen Shore-kovuuden pysyessä 90A:na, näytteissä havaittu ulkoinen ja sisäinen vaurio väheni merkittävästi. Pinnoitteen Shore-kovuuden kasvaessa 80A:sta 60D:hen pinnoitteen paksuuden pysyessä 10 mm:ssä, näytteissä havaittu sisäinen vaurio väheni merkittävästi. Lisäksi havaittu ulkoinen vaurio muuttui pinnoitteen kovuuden kasvaessa: pinnoitteen pinnan hajoaminen iskukohdassa väheni, ja pinnoitteen pysyvän painauman syvyys kasvoi. Tehokkaimman suojan alla olevalle komposiittirakenteelle antoi 10 mm pinnoite kovuudella 60 Shore D: tämän koepisteen poikkileikkeistä havaittiin vähiten sisäistä vauriota. Jos visuaalisesti havaittavissa olevaa pinnoitteen pysyvää painaumaa iskukohdassa ei pidetä hyväksyttävänä, kokonaisvaltaisesti parhaimmat tulokset saavutettiin 10 mm pinnoitepaksuuden ja Shore-kovuuden 90A yhdistelmällä.