Optimierung der Eigenschaften von Polyurethan-Elastomeren für den Einsatz als Walzenbezugsmaterial in der Papiermaschine

Abstract

Ziel der Arbeit war die Untersuchung des Einflusses kommerziell erhältlicher Ausgangskomponenten auf technologisch relevante Eigenschaften von Polyurethan-Elastomeren wie Hydrolysebeständigkeit, Weiterreißfestigkeit, Steifigkeit und Härte zur Entwicklung optimierter Walzenbezugsmaterialien für die Papiermaschine. Durch systematische Variation von Polyolen, Diisocyanaten, Kettenverlängerern bzw.<br />-vernetzer sollten Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der Polyurethan-Elastomere erstellt werden. Dazu wurden die Ausgangsprodukte mittels NMR Spektroskopie und GPC analysiert, die OH-Zahlen bzw. der NCO-Gehalt bestimmt, verschiedenste PU-Elastomere im One-Shot-Verfahren synthetisiert und einer beschleunigten hydrolytischen Alterung unterzogen. Um den Einfluss der Rohstoffe auf die Eigenschaften der Polyurethan-Elastomere zu untersuchen, wurden folgende Prüfungen vor und nach der Hydrolyse der Elastomere durchgeführt: Härteprüfungen, Zugversuche, Weiterreißversuche nach Graves, und Dynamisch-Mechanisch-Thermische-Analysen. In Hinblick auf eine hohe Härte und Steifigkeit wurde festgestellt, dass sowohl Polycarbonatpolyole als auch Polyetherpolyole geeignete Weichphasen sind. Unabhängig von der Art der Weichphase ist für eine hohe Härte ein möglichst geringes Molekulargewicht von Vorteil. Des Weiteren wurde festgestellt, dass die Weiterreißfestigkeit mit steigender Polarität der Weichphase steigt, und dass ein steigendes Molekulargewicht und somit eine sinkende Polarität der Weichphase zu einer Verringerung der Weiterreißfestigkeit führt. Sterisch hindernde CH3-Seitengruppen wirken sich sowohl auf die Härte und Steifigkeit, als auch auf die Weiterreißfestigkeit negativ aus. Die Hydrolysestabilität sinkt mit steigender Anzahl an hydrolysierbaren funktionellen Gruppen in der Weichphase bzw. relativ gesehen im Polyurethan. Eine Neopentyl-Modifizierung wirkt sich sowohl bei Polyetherpolyolen als auch bei Polycaprolactonpolyolen positiv auf die Hydrolysestabilität aus. Bei der Hartphase ist eine hohe Packungsdichte der wesentliche Faktor, diese wird mit steigender Symmetrie der Bausteine und steigender Dichte an Urethan- bzw. Harnstoffgruppen höher. Eine hohe Packungsdichte führt zu Polyurethanen mit hoher Härte sowie Steifigkeit und guten Weiterreißfestigkeitswerten. Auch auf die Hydrolysestabilität wirkt sie sich positiv aus. Das Hartsegment sollte hydrophobe Strukturelemente enthalten und keine hydrolyseanfälligen Estergruppen.<br />

The aim of this thesis was to investigate the influence of commercially available products on technological relevant characteristics of Polyurethane-Elastomers such as hydrolysis resistance, hardness, stiffness and tear strength to develop optimised roll cover materials for paper machine applications. Systematic variations of Polyols, Diisocyanates, chain extenders and curing agents let to structure-characteristic-relationships of Polyurethane-Elastomers. To achieve this, different analysis of the starting products like NMR spectroscopy, GPC analysis, determination of the OH numbers and NCO content were done. Furthermore multiple different Polyurethane-Elastomers were synthesised using the One-Shot-Process and have undergone an accelerated hydrolytic aging. Furthermore different mechanical tests were done to evaluate the influence of the starting product and the aging on the characteristics of the synthesised Polyurethane-Elastomers. These tests were: tensile testing, hardness, tear strength and dynamic-mechanical-thermal analysis. With regard to a high hardness and stiffness it was determined that Polycarbonate-Polyols and Polyether-Polyols are appropriate soft segments. Irrespective of the kind of soft segment a rather low molecular weight is beneficial for achieving a high hardness. Furthermore it was determined that the tear strength is increased by an increasing polarity of the soft segment. An increasing molecular weight and thus decreasing polarity of the soft segment lead to a reduction of the tear strength. Sterically hindered CH3-side groups have a negative influence on the hardness, stiffness and on the tear strength.<br />The hydrolysis resistance decreases with a growing number of hydrolysable functional groups within the soft segment respectively relatively within the Polyurethane. A Neopentyl-modification has a positive influence on the hydrolysis resistance of Polyether-Polyols as well as Polycaprolacton-Polyols.<br />Regarding the hard segment a high packing density is important. This density is increased by symmetry and an increasing density of the urethane- and ureagroups.<br />A high packing density leads to polyurethanes with a high hardness, stiffness, good tear strength and good hydrolysis stability. The hard segment should contain hydrophobic and no hydrolysis unstable elements.