Foaming of Thermoplastic Elastomers
Paukkunen, Johanna (2012)
2012
Materiaalitekniikan koulutusohjelma
Automaatio-, kone- ja materiaalitekniikan tiedekunta - Faculty of Automation, Mechanical and Materials Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2012-06-06
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201206081177
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201206081177
Tiivistelmä
The objective of this Master of Science thesis was to find out whether foaming could be implemented to offer new property-combinations for gaskets in electrical devices. Gaskets used as a basis of the study are made of solid thermoplastic elastomers. Low hardness and compression set combined with high resistance to fire and oil are required. Achieving these properties with blending has proven to be difficult, and foaming as a solution is studied.
The thesis consists of a theoretical and an experimental part. In the theoretical part structure and classification of thermoplastic elastomers, fundamentals and methods of foaming as well as related rheology are discussed. Previous studies done on the subject are also reviewed. In the experimental part two thermoplastic elastomer materials were foamed and effects on properties were observed. Also a rheological characterization of the materials was done.
Thermoplastic elastomers combine mechanical properties of elastomers and easy processing of thermoplastics. Those properties are usually achieved in polymer blends or copolymers. Foaming means introducing gas filled cells into the material. Viable foaming methods for gasket materials are physical, chemical and syntactic foaming. In syntactic foaming gas filled glass or polymer spheres are added to a material. Hydrocarbon filled polymer spheres expand during processing, creating thin walled cells. These spheres are called expandable microspheres.
In the experimental part two styrenic thermoplastic elastomers were foamed using expandable microspheres. Achieved cell structures were heterogeneous as density expectedly varied throughout the part. Hardness decreased with density, but also a hardening effect of microspheres was seen. A similar density dependency was seen in compression deflection. Compression set on the other hand increased noticeably for all foams, but no dependency to density or cell size was noticed. Flammability increased expectedly but oil swell decreased which was not expected. More oil had permeated foams than solids, but cells rather than polymer structure were filled, keeping the swelling moderate. Behaviour of the materials in shear and extensional deformation was evaluated in rheological characterization. Materials had noticeable differences and it could be deducted that one would be more suitable for syntactic and the other for physical and chemical foaming.
From the experimental part it can be concluded that foaming is indeed a possible way of improving gasket materials. Results of this work have been promising, but more research needs to be done on the subject. Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää, voisiko solustuksella tuoda uusia ominaisuusyhdistelmiä sähkölaitteiden tiivisteiden materiaaleihin. Tiivisteet joihin työ pohjautuu, valmistetaan solustamattomista termoplastisista elastomeereistä, joilta vaaditaan alhaista kovuutta ja jäännöspuristumaa yhdistettynä hyvään öljyn ja tulen kestävyyteen. Koska tarvittavien ominaisuuksien saavuttaminen seostamisella on osoittautunut hankalaksi, haetaan ratkaisua solustamisesta.
Työ koostuu teoreettisesta ja kokeellisesta osasta. Teoreettisessa osassa käsitellään termoplastisten elastomeerien rakenne ja luokittelu, solustuksen perusteet, menetelmät ja siihen liittyvä reologia, sekä tehdään yhteenveto aiheen aikaisemmista tutkimustuloksista. Kokeellisessa osuudessa kahta termoplastista elastomeeriä solustettiin ja vaikutusta ominaisuuksiin tarkkailtiin. Materiaaleille tehtiin myös reologinen analyysi.
Termoplastiset elastomeerit tuovat yhteen elastomeerien mekaaniset ominaisuudet ja kestomuovien helpon prosessoitavuuden. Materiaalien ominaisuudet saavutetaan yleensä joko seostamalla tai kopolymeereillä. Solustus puolestaan tarkoittaa kaasua sisältävien solujen tuomista materiaaliin. Mahdollisia menetelmiä tiivisteille ovat fysikaalinen, kemiallinen ja syntaktinen solustus. Syntaktisessa solustuksessa materiaaliin tuodaan kaasua sisältäviä lasi- tai polymeeripalloja. Hiilivetyä sisältävät polymeeripallot laajenevat prosessoinnin aikana, muodostaen ohutseinämäisiä soluja. Niitä kutsutaankin laajeneviksi mikropalloiksi.
Kokeellisessa osuudessa kahta styreenipohjaista termoplastista elastomeeriä solustettiin käyttämällä laajenevia mikropalloja. Saadut solurakenteet olivat heterogeenisia, sillä materiaalin tiheys muuttui odotetusti läpi kappaleen. Kovuus laski tiheyden mukaan, mutta mikropallojen kovuutta lisäävä vaikutus oli nähtävissä. Myös puristuspoikkeuma osoitti selvää tiheysriippuvuutta. Jäännöspuristuma nousi kaikilla solumateriaaleilla, mutta yhteyttä tiheyteen tai solukokoon ei havaittu. Palon kesto heikkeni solustettaessa odotetusti, mutta öljyturpoama odottamatta laski. Öljyä imeytyi solustettuihin kappaleisiin huomattavasti enemmän kuin solustamattomiin, mutta turpoama pysyi kohtuullisena, sillä polymeerirakenteen sijasta täyttyivät solut. Reologisessa analyysissä materiaalien leikkaus- ja venymäkäyttäytymistä arvioitiin. Materiaalit erosivat toisistaan selvästi, ja voitiin päätellä toisen soveltuvan paremmin syntaktiseen, ja toisen kemialliseen ja fysikaaliseen solustukseen.
Kokeellisen osuuden yhteenvetona voidaan todeta, että solustaminen on mahdollinen tapa kehittää tiivistemateriaaleja. Työn tulokset ovat lupaavia, mutta lisätutkimusta aiheesta kaivataan.
The thesis consists of a theoretical and an experimental part. In the theoretical part structure and classification of thermoplastic elastomers, fundamentals and methods of foaming as well as related rheology are discussed. Previous studies done on the subject are also reviewed. In the experimental part two thermoplastic elastomer materials were foamed and effects on properties were observed. Also a rheological characterization of the materials was done.
Thermoplastic elastomers combine mechanical properties of elastomers and easy processing of thermoplastics. Those properties are usually achieved in polymer blends or copolymers. Foaming means introducing gas filled cells into the material. Viable foaming methods for gasket materials are physical, chemical and syntactic foaming. In syntactic foaming gas filled glass or polymer spheres are added to a material. Hydrocarbon filled polymer spheres expand during processing, creating thin walled cells. These spheres are called expandable microspheres.
In the experimental part two styrenic thermoplastic elastomers were foamed using expandable microspheres. Achieved cell structures were heterogeneous as density expectedly varied throughout the part. Hardness decreased with density, but also a hardening effect of microspheres was seen. A similar density dependency was seen in compression deflection. Compression set on the other hand increased noticeably for all foams, but no dependency to density or cell size was noticed. Flammability increased expectedly but oil swell decreased which was not expected. More oil had permeated foams than solids, but cells rather than polymer structure were filled, keeping the swelling moderate. Behaviour of the materials in shear and extensional deformation was evaluated in rheological characterization. Materials had noticeable differences and it could be deducted that one would be more suitable for syntactic and the other for physical and chemical foaming.
From the experimental part it can be concluded that foaming is indeed a possible way of improving gasket materials. Results of this work have been promising, but more research needs to be done on the subject.
Työ koostuu teoreettisesta ja kokeellisesta osasta. Teoreettisessa osassa käsitellään termoplastisten elastomeerien rakenne ja luokittelu, solustuksen perusteet, menetelmät ja siihen liittyvä reologia, sekä tehdään yhteenveto aiheen aikaisemmista tutkimustuloksista. Kokeellisessa osuudessa kahta termoplastista elastomeeriä solustettiin ja vaikutusta ominaisuuksiin tarkkailtiin. Materiaaleille tehtiin myös reologinen analyysi.
Termoplastiset elastomeerit tuovat yhteen elastomeerien mekaaniset ominaisuudet ja kestomuovien helpon prosessoitavuuden. Materiaalien ominaisuudet saavutetaan yleensä joko seostamalla tai kopolymeereillä. Solustus puolestaan tarkoittaa kaasua sisältävien solujen tuomista materiaaliin. Mahdollisia menetelmiä tiivisteille ovat fysikaalinen, kemiallinen ja syntaktinen solustus. Syntaktisessa solustuksessa materiaaliin tuodaan kaasua sisältäviä lasi- tai polymeeripalloja. Hiilivetyä sisältävät polymeeripallot laajenevat prosessoinnin aikana, muodostaen ohutseinämäisiä soluja. Niitä kutsutaankin laajeneviksi mikropalloiksi.
Kokeellisessa osuudessa kahta styreenipohjaista termoplastista elastomeeriä solustettiin käyttämällä laajenevia mikropalloja. Saadut solurakenteet olivat heterogeenisia, sillä materiaalin tiheys muuttui odotetusti läpi kappaleen. Kovuus laski tiheyden mukaan, mutta mikropallojen kovuutta lisäävä vaikutus oli nähtävissä. Myös puristuspoikkeuma osoitti selvää tiheysriippuvuutta. Jäännöspuristuma nousi kaikilla solumateriaaleilla, mutta yhteyttä tiheyteen tai solukokoon ei havaittu. Palon kesto heikkeni solustettaessa odotetusti, mutta öljyturpoama odottamatta laski. Öljyä imeytyi solustettuihin kappaleisiin huomattavasti enemmän kuin solustamattomiin, mutta turpoama pysyi kohtuullisena, sillä polymeerirakenteen sijasta täyttyivät solut. Reologisessa analyysissä materiaalien leikkaus- ja venymäkäyttäytymistä arvioitiin. Materiaalit erosivat toisistaan selvästi, ja voitiin päätellä toisen soveltuvan paremmin syntaktiseen, ja toisen kemialliseen ja fysikaaliseen solustukseen.
Kokeellisen osuuden yhteenvetona voidaan todeta, että solustaminen on mahdollinen tapa kehittää tiivistemateriaaleja. Työn tulokset ovat lupaavia, mutta lisätutkimusta aiheesta kaivataan.