Physical characterization of plastic surfaces in wearing and cleanability research

Plastic surfaces are a group of materials used for many purposes. The present study was focused on methods for investigation of surface topography, wearing and cleanability of polyvinyl chloride (PVC) model surfaces and industrial plastic surfaces. Contact profilometry, scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) are powerful methods for studying the topography of plastic surfaces. Although they have their own limitations, they are together an effective tool providing useful information on surface topography, especially when studying laboratory-made PVC model surfaces with known chemical compositions and structures. All examined laboratory-made PVC plastic surfaces examined in this work could be considered as smooth according to both AFM and profilometer measurements because height differences are in the nanoscale on every surface. Industrial plastic surfaces are a complex group of materials because of their chemical and topographical heterogeneity, but they are nevertheless important reference materials when developing cleaning and wearing methods. According to the results of this study the Soiling and Wearing Drum and the Frick-Taber methods are very useful when simulating three-body wearing of plastic surfaces. Both the investigated wearing methods can be used to compare the wearing of different plastic materials using appropriate evaluation methods of wearing and industrial use. In this study, physical methods were developed and adapted from other fields of material research to cleanability studies. The thesis focuses on the methodology for investigating the cleanability of plastic surfaces under realistic conditions, where surface topography and the effect of wear cleanability were among the major topics. A colorimetric method proved to be suitable for examining the cleanability of the industrial plastic surfaces. The results were utilized to evaluate the relationship between cleanability and the surface properties of plastic surfaces. The devices and methods used in the work can be utilized both in material research and product development.

Muovipintojen puhdistuvuustutkimusta on vauhdittanut teollisuuden ja yhteiskunnan tarve kehittää vähemmän likaantuvia ja helpommin puhtaana pysyviä pintamateriaaleja. Yksi yleisemmin käytetyistä muoveista on polyvinyylikloridi eli PVC. Tässä työssä menetelmäkehitystyö aloitettiin PVC:n kaupallisilla sovellutuksilla, jolloin kemialliset ja fysikaaliset menetelmät olivat käytössä, kun saatavilla oli laboratoriossa valmistettuja PVC-mallipintoja Tässä tutkimuksessa kehitettiin ja sovellettiin muilla aloilla käyttöönotettuja kemiallisia ja fysikaalisia menetelmiä. Muovipintojen kulumisen tutkimiseen sovellettiin kahta menetelmää, joita varten rakennettiin Frick-Taber-koelaitteisto sekä likaus- ja kulutusrumpu-laitteisto. Tässä tutkimuksessa oli mukana 21 erilaista kaupallista muovipintaa, joilla aloitettiin menetelmien kehittäminen ja soveltaminen ja kun PVC-mallipintoja oli saatavilla, niin tutkimusta jatkettiin näillä 22 erilaisella PVC-mallipinnalla. Uusien ja kulutettujen kaupallisten muovipintojen ja laboratoriossa valmistettujen PVC-mallipintojen pinnan topografiaa tutkittiin kontaktiprofilometrialla, pyyhkäisyelektronimikroskopialla ja atomivoimamikroskopialla. Käytetyillä pinnan topografian määritysmenetelmillä oli omat rajoituksensa, mutta yhdessä käytettyinä ne antoivat enemmän tietoa topografiasta. Kontaktiprofilometrillä tehtiin kaksi- ja kolmidimensionaalisia profilometrimittauksia ja tutkimukseen valittiin karheusparametrit: Ra (profiilin keskipoikkeama), Rq (profiilin neliöllinen keskipoikkeama), Rsk (profiilin epäsymmetrisyys) ja Rku (profiilin huipukkuus). Mallilioiksi valittiin standardeihin pohjautuvia likoja ja kemiallisia mallilikoja. Muovimateriaalien puhdistuvuuden toteamisessa käytettiin kolorimetristä menetelmää. Lisäksi käytettiin hyväksi radiokemiallista menetelmää. Tämän työn tuloksena PVC-mallipintojen verkkorakenne ja pehmitinainepitoisuus ja pehmitintyyppi vaikuttivat puhdistuvuuteen, mikä todettiin radiokemiallisessa määrityksessä. Kontaktiprofilometrillä tehdyissä kolmidimensionaalisissa mittauksissa saatiin näkyviin PVC-mallipintojen verkkorakenteen, pehmittimen määrän vaikutus mallipintojen topografiaan. Tämän lisäksi tässä työssä tutkittiin kontaktiprofilometrillä uusia ja kulutettuja PVC-mallipintoja, jotka olivat pinnoitettu timantilla ja kulutettu likaus- ja kulutus-rumpumenetelmällä. Tuloksista havaittiin, että timanttipinnoitus alentaa karheusarvoja ja kulutuksen aiheuttamat pinnan muutokset olivat havaittavissa kolmidimensionaalisista profilometrikuvista sekä karheusarvojen suurenemisena. Lisäksi standardeihin perustuvat epäorgaaninen partikkelilika ja orgaaninen öljylika irtosivat uusien kaupallisten muovipintojen pinnoilta paremmin kuin kulutettujen. Kaupallisten muovipintojen kuluttaminen aiheutti pintojen naarmuuntumista, jolloin lika pääsi kiinnittymään pinnoille eikä näin ollen irronnut niin helposti kuin vastaavasti uusilta pinnoilta. Puhdistuvuustutkimusta varten rakennetut pilot-laitteistot ja määritysmenetelmät osoittautuivat käyttökelpoisiksi ja luotettaviksi. Käyttöönotetut menetelmät ovat hyödynnettävissä niin materiaali- ja pinnoitetutkimuksissa kuin kehitettäessä uusia vähemmän likaantuvia teollisia muovipintoja. Tulevaisuudessa pintamateriaaleiden likaahylkivyys- tai puhdistettavuusominaisuuksiin tullaan kiinnittämään entistä enemmän huomiota mm. taloudellisuus- ja ympäristösyistä.