Foam, Fire and Free Volume - Chemical and Physical Aspects of Porous Polymers

Abstract: Popular Abstract in Swedish Bilsäten har genomgått en kontinuerlig utveckling ända sedan de först beskrevs år 1885. På den tiden kunde man läsa om vadderade läderbänkar, monterade på stora fjädrar, fastsatta i chassit på ”hästlösa vagnar”. När polyuretanskum först började tillverkas på 1950-talet introducerades de snabbt i bilsätena och dessa genomgick stora förbättringar. Skummen utgör idag en stor del av interiören i våra bilar och de bildar förarens och passagerarnas kontaktyta mot själva bilen. Dessa material måste därför uppfylla flera viktiga krav på säkerhet och komfort. I studien som presenteras här har flera aspekter av polyuretanskummens egenskaper studerats. Särskilt fokus har lagts på brandskyddande, mekaniska och vibrations-dämpande egenskaper. Det visade sig att de skum som används i bilsäten kan brandskyddas genom att tillsätta så kallade intumescenta komponenter (från latinets intumescere, som betyder att svälla). Intumescenta komponenter är sådana som reagerar med varandra och sväller när de utsätts för värme. Tekniken är känd från utvecklingen av intumescenta färger som sväller och skyddar det underliggande materialet mot hastig temperaturstegring vid brand. Den intumescenta processen verkar brandhämmande och värmeutvecklingen under brand minskade avsevärt när det intumescenta systemet var tillsatt till skummet. Dessutom fanns ett karakteristiskt lager av förkolnat material kvar efter brandtestet, vilket tyder på att den intumescenta processen hade verkat. En ny, lovande metod för att förbättra de mekaniska egenskaperna i polyuretan-skum, utan att samtidigt öka densiteten på skummen, är att tillsätta hyperförgrenade polymerer. Dessa polymerer har en kärna med fyra armar, varje arm är i sin tur förgrenad så att hela molekylen har mängder med grenar. Denna hyperförgrenade polymer tillsattes polyuretanskummen i låga halter och visade sig ha stor positiv effekt på de mekaniska egenskaperna. Parallellt med förbättrade mekaniska egenskaper bidrog den hyperförgrenade polymeren, om än lite, med vibrations-dämpande egenskaper i intervallet kring 1 Hz. När frekvensintervallet utökades till det hörande området, 100-5000 Hz, visade det sig att materialets ljudabsorption ökade som funktion av mängden hyperförgrenad polymer i ett intervall mellan 500 Hz och 1600 Hz. För att utreda hur den hyperförgrenade molekylen kunde bidra till akustisk dämpning studerades materialets kemiska egenskaper med infraröd spektroskopi, en metod som avslöjar vilka kemiska bindningar och grupper som finns i ett material. Det kunde fastsällas att den hyperförgrenade polymeren var fullständigt reagerad med polyuretanen och fungerade som en effektiv tvärbindare i systemet. Samtidigt minskade mängden vätebindningar till följd av den ökade tvärbindningsgraden. Superkritisk koldioxid (scCO2) är koldioxid som värmts till över 31 °C och trycksatts till över 7.4 MPa. Vid detta tillstånd beter sig ämnet som ett mellanting mellan en gas och en vätska, det har gasliknande viskositet men vätskeliknande densitet. Inom ramen för denna studie har scCO2 använts som medel för att genomföra kristallisation och kristallövergångar i polymerer. För att en polymer ska kunna ordna sina långa kedjor regelbundet och bilda kristaller krävs en viss rörlighet hos kedjesegmenten. Denna rörlighet är relaterad till polymerens fria volym. Den fria volymen är den volym i de amorfa (icke-kristallina) delarna av polymeren som inte utgörs av polymerkedjorna, det vill säga utrymmet mellan kedjorna. Storleken på dessa hålrum är oftast mindre än en nanometer och kan erhållas genom att mäta livslängden på elektronens antimateria, positronen, med en metod som kallas PALS. Polymerer som behandlades i scCO2 svällde och uppvisade större storlek på den fria volymen än de obehandlade polymererna. Tiden som polymeren behandlades, och vid vilken temperatur, påverkade kristallisationen av polymeren men inte storleken på den fria volymen. Däremot hade trycket under behandlingen stor inverkan på den fria volymen. Större tryck gav större storlek på den fria volymen hos den behandlade polymeren. Den expanderade fria volymen var märkbar även flera veckor efter scCO2-behandlingen vilket visar på en långvarig effekt av behandlingen.