Luonnonmateriaaliseostettujen kestomuovien reologiset ominaisuudet
Ruupunen, Anne (2014)
2014
Materiaalitekniikan koulutusohjelma
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2014-12-03
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201412041573
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201412041573
Tiivistelmä
Tässä työssä tutkitaan luonnonmateriaaleilla seostettujen kestomuovikomposiittien reologisia ominaisuuksia. Matriisimateriaaleina käytettiin korkeatiheyksistä polyeteeniä, sekä tärkkelykseen pohjautuvaa biomateriaalia Mater-Bi:ä. Täyteainetyypeiksi komposiitteihin valittiin selluloosapohjaiset luonnonkuidut, mineraalit sekä lasi. Työssä käytettyjä täyteaineita oli viisi; sellu, pellava, kalsiumkarbonaatti, wollastoniitti ja lasikuitu. Kaikista täyteaineista ja matriisimateriaaleista tehtiin 15 til-% täyteainetta sisältävät komposiitit, ja osasta tehtiin lisäksi 5 til-% täyteainetta sisältäviä komposiitteja. Polyeteeniin lisättiin selluloosakuituja käytettäessä kytkentäainetta.
Teoriaosuudessa on käyty läpi työssä käytettyjen materiaalien ominaisuuksia. Lisäksi teoriaosassa on esitelty reologian teoriaa, reologisiin ominaisuuksiin vaikuttavia materiaaliominaisuuksia polymeereillä ja komposiiteilla, sekä työssä käytettyjen mittausmenetelmien toimintaperiaatteita.
Kokeellisessa osuudessa testattiin komposiittisulien virtausominaisuuksia. Leikkausviskositeettia mitattiin kapillaarireometrillä, sekä rotaatioreometrillä. Lisäksi leikkausviskositeettia mitattiin prosessointiolosuhteissa käyttämällä prosessilaitereometrina ekstruuderia ja rakosuutinta. Rotaatioreometrillä suoritettiin osalle materiaaleista dynaamisia mittauksia, joilla saatiin tietoa materiaalien viskoelastisesta luonteesta. Sulaindeksilaitetta käytettiin sulaindeksien mittaamiseen. Polyeteenikomposiitit testattiin 200 °C:n lämpötilassa, lisäksi osa materiaaleista testattiin 160 °C:ssa lämpötilavaikutusten selvittämiseksi. Mater-Bi-komposiitit testattiin 160 °C:ssa.
Täyteaineiden lisääminen nosti puhtaiden polymeerien leikkausviskositeettia. Vaikutus oli suurempi Mater-Bi-komposiiteilla kuin polyeteenikomposiiteilla. Selluloosapohjaiset kuidut nostivat viskositeettia eniten. Lasin ja kalsiumkarbonaatin vaikutus viskositeettiin oli samankaltainen, kun taas wollastoniitti vaikutti vähiten viskositeettiin. Sellukomposiittien mittauksia häiritsi sellupartikkelien taipumus muodostaa suuria kasautumia. Dynaaminen testaus vahvisti sellukomposiittien käytöksen olevan enemmän kiinteän aineen kaltaista kuin muilla komposiiteilla.
Lämpötilan nosto laski viskositeettia ja täyteainekonsentraation kasvattaminen nosti viskositeettia. Kytkentäaine ei vaikuttanut viskositeettiin. Viskositeetti oli alhaisempi prosessointiolosuhteissa mitattuna kuin kapillaarireometrilla mitattuna. Täyteaineiden käyttö laski sulaindeksejä, suurin vaikutus sulaindeksiin oli sellulla.
Teoriaosuudessa on käyty läpi työssä käytettyjen materiaalien ominaisuuksia. Lisäksi teoriaosassa on esitelty reologian teoriaa, reologisiin ominaisuuksiin vaikuttavia materiaaliominaisuuksia polymeereillä ja komposiiteilla, sekä työssä käytettyjen mittausmenetelmien toimintaperiaatteita.
Kokeellisessa osuudessa testattiin komposiittisulien virtausominaisuuksia. Leikkausviskositeettia mitattiin kapillaarireometrillä, sekä rotaatioreometrillä. Lisäksi leikkausviskositeettia mitattiin prosessointiolosuhteissa käyttämällä prosessilaitereometrina ekstruuderia ja rakosuutinta. Rotaatioreometrillä suoritettiin osalle materiaaleista dynaamisia mittauksia, joilla saatiin tietoa materiaalien viskoelastisesta luonteesta. Sulaindeksilaitetta käytettiin sulaindeksien mittaamiseen. Polyeteenikomposiitit testattiin 200 °C:n lämpötilassa, lisäksi osa materiaaleista testattiin 160 °C:ssa lämpötilavaikutusten selvittämiseksi. Mater-Bi-komposiitit testattiin 160 °C:ssa.
Täyteaineiden lisääminen nosti puhtaiden polymeerien leikkausviskositeettia. Vaikutus oli suurempi Mater-Bi-komposiiteilla kuin polyeteenikomposiiteilla. Selluloosapohjaiset kuidut nostivat viskositeettia eniten. Lasin ja kalsiumkarbonaatin vaikutus viskositeettiin oli samankaltainen, kun taas wollastoniitti vaikutti vähiten viskositeettiin. Sellukomposiittien mittauksia häiritsi sellupartikkelien taipumus muodostaa suuria kasautumia. Dynaaminen testaus vahvisti sellukomposiittien käytöksen olevan enemmän kiinteän aineen kaltaista kuin muilla komposiiteilla.
Lämpötilan nosto laski viskositeettia ja täyteainekonsentraation kasvattaminen nosti viskositeettia. Kytkentäaine ei vaikuttanut viskositeettiin. Viskositeetti oli alhaisempi prosessointiolosuhteissa mitattuna kuin kapillaarireometrilla mitattuna. Täyteaineiden käyttö laski sulaindeksejä, suurin vaikutus sulaindeksiin oli sellulla.