Inhaltszusammenfassung:
In dieser Arbeit wurden verschiedene Polyurethane untersucht. Im Fokus stand die Verwendung nachhaltigerer Rohstoffquellen. Zwei Versuchsreihen wurden parallel untersucht. Ein flexibilisierendes Polyol wurde immer im gleichen Verhältnis eingesetzt. Zwei verschiedene Basispolyole wurden mit unterschiedlichen Anteilen eines Vernetzers zugesetzt. Dieser lag bei 0 %, 5 %, 10 %, 15 % und 20 %. In den Mischungen mit höheren Vernetzeranteilen trat eine unüblichen Trübung auf. Ein solches Phänomen der Segmentierung ist aus dem Thermoplast- und Elastomerbereich bekannt. Hier entstehen aufgrund physikalischer Wechselwirkungen Hart- und Weichsegmente.
Allerdings nimmt der Grad der Segmentierung mit zunehmender Vernetzung ab. In dieser Arbeit erhöhte sich die Trübung mit Zugabe des Vernetzers. Daher wurden die Ursachen der Trübung und anschließend der Einfluss der Trübung auf verschiedene prozessanalytische Methoden untersucht. Der Reaktionsverlauf wurde mittels dynamisch-mechanischer Analyse (DMA) betrachtet. Neben den üblichen Anstiegen des Speichermoduls G’ und des Verlustmoduls G”, zeigte sich bei den Proben mit hohem Vernetzeranteil und hoher Trübung ein stufenartiger Versatz im Anstieg des Speichermoduls G’. Genauer gesagt in den Proben mit 10 %, 15 % und 20 % Vernetzer.
REM-Aufnahmen von Gefrierbrüchen zeigten eine Zunahme der Anzahl und Größe von Löchern mit steigendem Vernetzeranteil. Messungen des effektiven Streukoeffizienten μ's bestätigten diese Zunahme quantitativ von 0 mm-1 bis etwa 0,7 mm-1. Die IR-Spektroskopie zeigte freie Isocyanatgruppen und eine geringfügige Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen (H-Brücken) an den Carbonylgruppen, jedoch keinen Nachweis für die Ausbildung von Hart- und Weichsegmenten. Eine Klassifizierung mittels Hauptkomponentenanalyse (PCA) in die fünf verschiedenen Probenzusammensetzungen war aufgrund der genannten Unterschiede möglich. Mittels PLS-R konnte eine Korrelation zwischen dem Vernetzeranteil, der Streuung in Form des effektiven Streukoeffizienten und den IR-Daten mit einem R2 ≥ 0,93 ermittelt werden. Daraus wurde gefolgert, dass
aufgrund der hohen Polaritätsunterschiede zwischen der Polyolkomponente und dem Isocyanat, verursacht durch die Zugabe des Vernetzers, eine partiellen Entmischung stattfindet. Gleichzeitig ermöglicht die kleinere Molekulgröße des Vernetzers eine schnelle Netzwerkausbildung. So bildet sich um das entmischte Isocyanat ein PU-Netzwerk, was zu Ausscheidungen fuhrt. Diese sind in den REM-Aufnahmen der Gefrierbruche als Löcher erkennbar. An der Grenzfläche kommt es zu geringfügigen Wechselwirkungen in Form von H-Brücken. Die Trennung der Phasen bei gleichzeitigen Wechselwirkungen erklären den Versatz der DMA, da zwei Mal ein Anstieg in der zur Deformation benötigten Energie beobachtet wird. Die prozessanalytischen Methoden, UV-Vis-NIR-Spektroskopie und Messung des effektiven Streukoeffizienten μ's, zeigten einen starken Einfluss der Trübung durch den variierten Vernetzeranteil. Mittels PCA-DA wurde eine Klassifizierung und Beurteilung der Modellqualität durchgeführt. Als Vorhersagemethode wurde ein PLS-R berechnet. Der UV- und Vis-Bereich wurde am stärksten von der Trübung beeinflusst. Gleiches gilt für die Messung des effektiven Streukoeffizienten μ's. Nahezu transparente Proben konnten nicht mehr voneinander unterschieden werden und die Modelle verloren an Qualität.
Bei unterschiedlich trüben Proben war eine Unterscheidung möglich. Die Messungen im NIR wurden durch die Trübung nicht beeinflusst und es konnten gute Modelle für die Klassifizierung und Vorhersage berechnet werden. In der PCA lag die Gesamtgenauigkeit bei über 93 %, das PLS-R-Modell hatte ein R2 von 0,98 und einen Fehler in der Vorhersage von etwa 1 %. Die Modelle basierten auf Banden, die den Unterschieden in der Probenzusammensetzung zugeordnet werden konnten. Daher eignen sich UV, Vis und der effektive Streukoeffizient für die Detektion von Trübungen. Die NIR-Spektroskopie ist für die Bestimmung der Probenzusammensetzung geeignet.
