The adhesion of coatings is of high importance in the coating industry and a more thorough understanding of adhesion behavior is required. In this thesis work, seven parameters affecting adhesion of silane-modified poly(urethane urea) (PUSi) coatings on pretreated steel and aluminum substrates were studied. These parameters include substrate type, dry film thickness (20-30 and 60-70 μm), solid content (40, 60, and 70 wt%), resin ratio between two different types of PUSi (PUSi-A: PUSi-B = 70:30, 50:50, and 30:70 wt ratio), crosslinking density, additive, and curing condition. The different pretreatments of substrates include solvent wiping, sandblasting, phosphating, and galvanizing. A commercial paint product (‘yellow topcoat’) was used as a reference for the study of substrates and additives. Several formulations of clearcoat, prepared from the same PUSi resins as the commercial paint product, were mainly used in every experiment. The obtained coatings were tested for their adhesion properties using cross hatch adhesion test, bending test, and humidity resistance test. The film hardness and thermo-mechanical properties were evaluated with König pendulum hardness test and Dynamic Mechanical Analysis (DMA), respectively. Surface energies of all substrates were analyzed with Contact Angle Measurement (CAM). The PUSi-A and PUSi-B resins used in the coating formulations were characterized with Differential Scanning Calorimetry (DSC), Size-Exclusion Chromatography (SEC), and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR). The results showed a correlation between poor adhesion properties and the relatively low surface energies of some substrates, namely cold-rolled steel (CRS), industrial ACE aluminum, and standard Q aluminum. The use of silane-functional crosslinking agent and silane adhesion promoters in the coatings has greatly enhanced adhesion. The increase in film hardness via increased crosslinking density also did not hinder the adhesion due to the presence of silane groups in the crosslinker. Additionally, increased time and temperature during curing showed positive effects. However, the variation of resin ratio, solid content, and film thickness did not offer significant adhesion improvement in this study. / Adhesionsegenskaperna hos ytbeläggningar är av stor betydelse i färg- och lackindustrin och en djupare förståelse av vidhäftning är av stor betydelse. I detta uppsatsarbete studerades sju parametrar som påverkar vidhäftning av silanmodifierad poly(uretan-urea) (PUSi)-beläggningar på stål- och aluminiumsubstrat. Dessa parametrar inkluderar substrattyp, torr filmtjocklek (20-30 och 60-70 μm), torrhalt (40, 60 och 70 viktprocent), mängdförhållandet mellan två olika typer av PUSi (PUSi-A: PUSi-B = 70:30, 50:50 och 30:70 viktprocent), tvärbindningsdensitet, tillsatsmedel och härdningsbetingelser. Förbehandlingen av substraten inkluderar lösningsmedelsavtorkning, sandblästring, fosfatering och galvanisering. En kommersiell ytbehandlingsprodukt innehållandes gula pigment (gul topplack) användes som referens. Flera formuleringar av klarlack, framställda av samma PUSi-hartser som den kommersiella produkten, användes i det experimentella arbetet. Beläggningarna testades med avseende på deras vidhäftningsegenskaper med ’cross-hatch’-test, böjningstest och fuktbeständighetstest. Filmhårdhet och termomekaniska egenskaper utvärderades med König pendelhårdhetstest respektive Dynamisk Mekanisk Analys (DMA). Ytenergier för alla substrat analyserades med kontaktvinkelmätning (CAM). PUSi-A- och PUSi-B-hartserna som användes i ytbeläggningarna karaktäriserades med Differential Scanning Calorimetry (DSC), Size-Exclusion Chromatography (SEC) och Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR). Resultaten visade en korrelation mellan dålig vidhäftning och låga ytenergier för vissa underlag, främst kallvalsat stål (CRS), industriellt ACE-aluminium och standard Q-aluminium. Användningen av silan-funktionell tvärbindare och en silan-baserad primer förbättrade vidhäftningen avsevärt. Ökningen i filmhårdhet genom högre tvärbindningsdensitet resulterade inte i sämre vidhäftning eftersom tvärbindaren innehåller silan-grupper vilket bidrog till att upprätthålla vidhäftningen. Längre tid och högre temperatur vid härdning gav generellt bättre vidhäftning, liksom tillsats av urea. Att variera mängden bindemedel, torrhalt eller filmtjocklek gav inte någon signifikant påverkan på vidhäftning i denna studie.

Cold mix asphalt (CMA) emulsion technology could become an attractive option for the road industry as it offers lower startup and equipment installation costs, energy consumption and environmental impact than traditional alternatives. The adhesion between bitumen and aggregates is influenced by diverse parameters, such as changes in surface free energies of the binder and aggregates or the presence of moisture or dust on the surface of aggregates, mixing temperatures, surface textures (including open porosity), nature of the minerals present and their surface chemical composition, as well as additives in the binder phase. The performance of cold asphalt mixtures is strongly influenced by the wetting of bitumen on surfaces of the aggregates, which is governed by breaking and coalescence processes in bitumen emulsions. Better understanding of these processes is required. Thus, in the work this thesis is based upon, the surface free energies of both minerals/aggregates and binders were characterized using two approaches, based on contact angles and vapor sorption methods. The precise specific surface areas of four kinds of aggregates and seven minerals were determined using an approach based on BET (Brunauer, Emmett and Teller) theory, by measuring the physical adsorption of selected gas vapors on their surfaces and calculating the amount of adsorbed vapors corresponding to monolayer occupancy on the surfaces. Interfacial bond strengths between bitumen and aggregates were calculated based on measured surface free energy components of minerals/aggregates and binders, in both dry and wet conditions. In addition, a new experimental method has been developed to study bitumen coalescence by monitoring the shape relaxation of bitumen droplets in an emulsion environment. Using this method, the coalescence of spherical droplets of different bitumen grades has been correlated with neck growth, densification and changes in surface area during the coalescence process. The test protocol was designed to study the coalescence process in varied environmental conditions provided by a climate-controlled chamber. Presented results show that temperature and other variables influence kinetics of the relaxation process. They also show that the developed test procedure is repeatable and suitable for studying larger-scale coalescence processes. However, possible differences in measured parametric relationships between the bitumen emulsion scale and larger scales require further investigation. There are several different research directions that can be explored for the continuation of the research presented in this thesis. For instance, the rationale of the developed method for analyzing coalescence processes in bitumen emulsions rests on the assumption that the results are applicable to large-scale processes, which requires validation. A linear relationship between the scales is not essential, but it is important to be able to determine the scaling function. Even more importantly, qualitative effects of the investigated parameters require further confirmation. To overcome the laboratory limitations and assist in the determination of appropriate scaling functions further research could focus on the development of a three-dimensional multiphase model to study coalescence processes in more detail, including effects of surfactants, pH and other additives such as mineral fillers and salts. Additionally, better understanding of the breaking process and water-push out could help significantly to optimize CMA mix design. Different methods, both numerical and experimental could be explored for this. / Cold mix asphalt (CMA) eller kall asfaltbetong med hjälp av emulsionsteknik kan vara ett attraktivt alternativ för vägbyggnadsindustrin då det möjliggör lägre uppstart- och investeringskostnader, lägre energiförbrukning och mindre miljöpåverkan än traditionella alternativ. Adhesionen mellan bindemedel och stenpartiklarna påverkas av ett flertal parametrar, så som förändring i fri ytenergi hos både bindemedel och partiklar i närvaro av fukt eller damm på stenytorna, blandningstemperatur, yttextur (inklusive ytporositet), mineralegenskaper och ytornas kemiska sammansättning lika väl som tillsatsmedel i bindemedlen. Beteendet hos kall asfaltbetong är starkt påverkad av vätningsegenskaperna hos bindemedlet när det kommer i kontakt med stenmaterialet och detta i sin tur är beroende på bitumenemulsionens brytegenskaper och förmåga att blandas. Bättre förståelse av dessa processer är av största vikt. I detta arbete är avhandlingen baserad på fri ytenergi hos både mineraler/aggregat och bindemedel, baserat på kontaktvinkel och på ångabsorptionsmetoder. Den exakta specifika ytan hos fyra typer av aggregat och sju mineraler undersöktes med en metod baserad på BET (Brunauer, Emmett och Teller):s teorier genom att mäta den fysiska adsorptionen av utvalda gaser på ytorna och beräkna mängden adsorberad ånga som korresponderade mot ytlagret. Styrkan hos kontaktytornas bindning mellan bindemedlet och stenaggregaten beräknades baserat på mätningar av den fria ytenergin hos bägge ingående komponenterna, dels i torrhet dels i våta omgivningar. Som tillägg har en ny experimentell metod utvecklats för att studera bitumens blandbarhet genom att studera bitumendroppars relaxation i en emulsionsmiljö. Genom att använda denna metod har korelationen mellan sväriska droppar av bitumen undersökts mot förändringen i ytans area under blandningsprocessen. Testprotokollet utformades för att studera blandningsprocessen i varierande miljöer i en klimatkammare. Presenterade resultat visar att temperatur och andra variabler påverkar de kinetiska förhållandena vid relaxationsprocessen. De visar även att den utvecklade testmetoden är repeterbar och passar för studier av storskaliga blandningsprocesser. Det bör dock påpekas att vidare studier krävs för att påvisa skillnaderna mellan bitumenemulsionsskalan och större skalor. Framtida forskning kommer att koncentreras på utveckling av tredimensionella multifas­modeller för att studera blandningsförlopp på en mer detaljerad nivå, inkluderande effekter på ytaktiva ämnen, pH-värden och andra additativ så som mineralfiller och salt. Som tillägg kommer nyttan av nya karaktäriseringsmetoder att utvärderas, så som lågvikelspridning av neutroner eller kombinationer av röntgen, neutronradiologi och datortomografi, för att studera brytmekanismer hos bitumenemulsioner vid kontakt med mineraler och aggregat. / <p>QC 20160901</p>

Today there is growing interest within the construction sector to increase the proportion of biobased building materials made from renewable resources. By-products or residuals from wood processing could in this case be valuable resources for manufacturing new types of biocomposites. An important research question related to wood-based biocomposites is how to characterise molecular interactions between the different components in the composite. The hygroscopic character of wood and its water sorption properties are also crucial. Thermal modification (or heat treatment) of wood results in a number of enhanced properties such as reduced hygroscopicity and improved dimensional stability as well as increased resistance to microbiological decay. In this thesis, surface characteristics of thermally modified wood components (often called wood fibres or particles) and influencing effects from moisture sorption have been analysed using a number of material characterisation techniques. The aim is to increase the understanding in how to design efficient material combinations for the use of such wood components in biocomposites. The specific objective was to study surface energy characteristics of thermally modified spruce (Picea abies Karst.) under influences of water vapour sorption. An effort was also made to establish a link between surface energy and surface chemical composition. The surface energy of both thermally modified and unmodified wood components were studied at different surface coverages using inverse gas chromatography (IGC), providing information about the heterogeneity of the surface energy. The water vapour sorption behaviour of the wood components was studied using the dynamic vapour sorption (DVS) method, and their surface chemical composition was studied by means of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Additionally, the morphology of the wood components was studied with scanning electron microscopy (SEM). The IGC analysis indicated a more heterogeneous surface energy character of the thermally modified wood compared with the unmodified wood. An increase of the dispersive surface energy due to exposure to an increased relative humidity (RH) from 0% to 75% RH at 30 ˚C was also indicated for the modified samples. The DVS analysis indicated an increase in equilibrium moisture content (EMC) in adsorption due to the exposure to 75% RH. Furthermore, the XPS results indicated a decrease of extractable and a relative increase of non-extractable compounds due to the exposure, valid for both the modified and the unmodified wood. The property changes due to the increased RH condition and also due to the thermal modification are suggested to be related to alterations in the amount of accessible hydroxyl groups in the wood surface. Recommendations for future work and implications of the results could be related to knowledge-based tailoring of new compatible and durable material combinations, for example when using thermally modified wood components in new types of biocomposites for outdoor applications. / <p>Forskningsfinansiärer och strategiska forskningsprojekt:</p><p>Nils och Dorthi Troëdssons forskningsfond (Projektnr 793/12 Hydro-termo-mekanisk modifiering av trä).</p><p> KTH Royal Institute of Technology.</p><p> COST Action FP0904.</p><p> KK-Stiftelsen.</p><p>Stiftelsen för strategiskt forskning (SSF). QC 20150908</p>

This master thesis presents a theoretical investigation of the energy and stability of interfaces in iron-carbide compounds, specifically focusing on the α-Fe/Cr7C3 system. The study aims to fill the gap in knowledge regarding the surface energetics of these interfaces using Density Functional Theory (DFT). Six different α-Fe/Cr7C3 interfaceswere constructed α-Fe(001)/Cr7C3(024), α-Fe(001)/Cr7C3(202), α-Fe(001)/Cr7C3(040),α-Fe(110)/Cr7C3(024), α-Fe(110)/Cr7C3(202) and α-Fe(110)/Cr7C3(040). Due to limited computational resources, only one of them was computationally analyzed to determine its interfacial energy value. The results revealed that the interfacial energy of the α-Fe(001)/Cr7C3(040) interface falls within the range of incoherent interfaces, indicating its stability. The computed interfacial energy values ranged from 0.94 to 3.39 J/m2, consistent with similar studies on other iron interfaces. The simulations also identified minimum and local minimum points in the interface energy curve, representing stable configurations at specific interface separation distances. The presence of a minimum point at an interface separation value of d = 1.3551 Å with an interfacial energy of 0.94 J/m2 indicates the most stable configuration, while a local minimum point at d = 2.27 Å with an interfacial energy of 2.12 J/m2 suggests another stable configuration for the interface. The conclusion that the computations were correctly performed with an interfacial energy value of 0.94 J/m2 for the most stable configuration at a supercell length (aSupercell ) of 22.23 Å is drawn. The findings of this research have significant implications for future investigations and applications. Firstly, this study fills the gap of the unresearched ferrite-carbide interfaces with theoretical data. Secondly, the knowledge gained from studying these interfaces contributes to understanding hydrogen interactions, which is fundamental for the transition towards a hydrogen economy. Additionally, the incoherent nature of the interface introduces challenges in understanding material behavior and properties, necessitating further investigations for designing efficient systems. Future work includes experimental validation of the α-Fe/Cr7C3 interface to compare the theoretical and experimental energies and stability. Investigating the remaining interfaces and examining the effects of introducing hydrogen atoms in these interfaces, along with calculating the corresponding hydrogen trapping energies, are important research areas. Further advancements in understanding these interfaces can be achieved through interface engineering, multiscale modeling, and studying other iron-carbide systems. / Detta examensarbete presenterar en teoretisk undersökning av energin och stabiliteten hos gränssnitt i järnkarbidföreningar och fokuserar specifikt på α-Fe/Cr7C3-systemet. Studien syftar till att fylla kunskaps tomrummet gällande ytegenskaperna hos dessa gränssnitt genom användning av densitetsfunktionalteori (DFT). Sex olika α-Fe/Cr7C3-gränssnitt konstruerades α-Fe(001)/Cr7C3(024), α-Fe(001)/Cr7C3(202), α-Fe(001)/Cr7C3(040), α-Fe(110)/Cr7C3(024), α-Fe(110)/Cr7C3(202) och α-Fe(110)/Cr7C3(040). På grund av begränsade beräkningsresurser analyserades endast ett av dem för att bestämma dess gränssnittsenergivärde. Resultaten visade att gränssnittsenergin för α-Fe(001)/Cr7C3(040)- gränssnittet ligger inom intervallet för inkoherenta gränssnitt, vilket indikerar dess stabilitet. De beräknade gränssnittsenergivärdena varierade mellan 0,94 och 3,39 J/m2 , vilket är i linje med liknande studier där järngränssnitt studeras. Minimi och lokala minimipunkter i gränssnittets energikurva, vilket representerar stabila konfigurationer vid specifika avstånd mellan gränssnittet. Förekomsten av en minimipunkt vid ett gränssnittsavstånd på d = 1,35 Å med en gränssnittsenergi på 0,94 J/m2 indikerar den mest stabila konfigurationen, medan en lokal minimipunkt vid d = 2,27 Å med en gränssnittsenergi på 2,12 J/m2 antyder en annan stabil konfiguration för gränssnittet. Slutsatsen dras att beräkningarna utfördes korrekt med ett gränssnittsenergivärde på 0,94 J/m2 för den mest stabila konfigurationen vid en supercellslängd (aSupercell) på 22,23 Å. Fynden från denna forskning har betydande implikationer för framtida undersökningar och tillämpningar. För det första fyller denna studie kunskapsgapet gällande de otillräckligt utforskade ferrit-karbidgränssnitten med teoretisk data. För det andra bidrar den erhållna kunskapen från studiet av dessa gränssnitt till förståelsen av väteinteraktioner, vilket är grundläggande för övergången till en väteekonomi. Dessutom innebär gränssnittets inkoherenta natur utmaningar när det gäller att förstå materialbeteende och egenskaper, vilket kräver ytterligare undersökningar för att utforma effektiva system. Framtida arbete inkluderar experimentell validering av gränssnittet mellan α-Fe/Cr7C3 för att jämföra teoretiska och experimentella energier och stabilitet. Att undersöka återstående gränssnitt och undersöka effekterna av att introducera väteatomer i dessa gränssnitt och beräkna motsvarande vätefällningsenergier är viktiga forskningsområden. Gränssnittsdesign, flerskalig modellering och studier av andra järnkarbid-system kan ytterligare främja förståelsen av dessa gränssnitt.