Preliminary study for online coating of glass fibers trough UV in situ polymerization

Composites are composed by two elements: a reinforcement, that could be fi-brous such as glass or carbon fibers or particles, and a matrix such as thermo-plastic polymer and resins. The first improves the strength and the stiffness of the material. The second protect the fibers and transmit the mechanical stress from the whole component to the fibers. In order to get this combination of properties, the two materials must be fully bonded together. The lakes of matrix around the fibers will lower the performance of the composite and its life time. All over the world glass reinforced plastic (GRP) is the largest material produced in the composites industries by far, about 95 % of the total volume of composites. in Europe the expected production of GRP in 2017 was around 1118 millions of tons with a growth of 2 % in respect of 2016. GRP can be made of thermoset matrix or by thermoplastic matrix. The latter are gaining relevance in respect of thermoset based GRP due to their recyclability and to the possibility to be formed after the production phase. However, the common processes for production of thermoplastic based GRP have problems related to the impregnation of the fibers from the matrix due to the high viscosity of the thermoplastic polymer. In fact the maximal strength cannot be achieved by glass reinforced thermoplastic if not all the reinforcing fibers are bonded to the matrix. To improve the impregnation, a higher amount of polymer matrix is used obtaining a low fiber volume between 30 % and 60 % with lower mechanical properties. Moreover also the number of steps required to produce a thermo-plastic based composites is a problem. [3] The aim of this thesis is to produce a Bi-component fiber made by a glass core fiber coated with a matrix polymer. A yarn made of filaments coated one by one leads to a material that doesn’t need the impregnation process reducing time and cost of the process and guarantees a good distribution of fiber inside the matrix even for high fiber volume (70-80 %). In this work the feasibility of a Bi-component fiber production process based on insitu polymerization activated by UV is studied. The behavior of a special monomer solution on the glass surface is investigated, and different setups for this process are tested. Tests are conducted first on a Singlefilament spinning plant and then on a quasi-industrial multi-filament spinning plant (203 filaments). Optical microscope analysis (SEM, EDX and TGA) are performed and the coating of the fiber is confirmed to be successful.

I materiali compositi sono materiali costituiti da due elementi: un rinforzo, che può essere composto da fibre (per esempio fibre di vetro o di carbonio) o particolati, e una matrice (solitamente resine o polimeri termoplastici). Il rinforzo migliora le proprietà meccaniche come resistenza a trazione o modulo di Young del materia-le, la matrice invece riveste il rinforzo e da una forma al componente, inoltre tra-smette gli stress meccanici dall’intero componente al rinforzo. Per far si che il materiale composito funzioni al meglio, rinforzo e matrice devono essere ben legati assieme. La mancanza di adesione tra i due componenti diminuirà le pre-stazioni meccaniche del materiale. Il 95 % dei materiali compositi prodotti al mondo è costituito da materiali compositi con rinforzo in vetro (Glass Reinforced Plastic, GRP). La produzione di GRP prevista per l’intero anno 2017 era di 1,118 miliardi di tonnellate con una crescita del 2 % rispetto all’anno precedente [1]. Questi dati ci fanno capire quanto sia ampio e in crescita il mercato di questi materiali. L’ 85 % dei GRP prodotti è costituito da materiale con matrice in resina termoin-durente mentre il restante 15 % è composto da matrici termoplastiche [2]. La principale differenza tra resine termoindurenti e termoplastiche è che le prime dopo che si sono indurite e hanno preso una forma non possono più essere ri-processate. Le resine termoplastiche invece, grazie alla temperatura di rammol-limento, possono essere scaldate sopra questa temperatura e riprocessate. Infatti i compositi a matrice termoplastica stanno acquistando importanza rispetto a quelli con matrice termoindurente, anche grazie alla loro migliore riciclabilità e alla possibilità di essere lavorati e modellati per ottenere il componente finale in una fase separata da quella di produzione senza richiedere un stoccaggio a tem-peratura e ambiente controllato. Lo svantaggio dei materiali termoplastici però è legato alla elevata viscosità del fluido polimerico che rende difficili le fasi di im-pregnazione dei rinforzi, rendendo difficile una distribuzione ottimale della matrice dentro alle fibre di rinforzo diminuendo così le proprietà meccaniche del pezzo. Per far si che ogni fibra sia raggiunta dalla matrice si utilizza una maggiore quantità di materiale polimerico che abbassa il contenuto di materiale di rinforzo all’interno del nostro componente, tra il 30 % e il 60 % in volume. Un altro pro-blema non trascurabile dei materiali con matrice di tipo termoplastico è il numero di operazioni necessarie per produrre il composito finale [3]. Un elevato numero di operazioni significa lunghi tempi di realizzazione e alti costi di produzione del prodotto. L’obiettivo di questa tesi è di studiare la fattibilità della produzione su scala indu-striale di una fibra bi-componente, costituita da un cuore interno in fibra di vetro rivestito con un coating di polimero termoplastico. Le fibre così prodotte andranno a formare un filato composto da fibre coperte singolarmente da materiale ter-moplastico che sarà sufficiente tessere, scaldare e pressare al fine di ottenere un prodotto finito. Questo sistema produttivo sarà in grado di evitare il lungo e di-spendioso processo di impregnazione tipico dei materiali termoplastici, riducen-done significativamente il costo e rendendoli sempre più competitivi rispetto ai materiali con fibre di vetro e matrici in resina termoindurente. Inoltre attraverso questa tecnologia sarà possibile produrre un composito contenente fino al 80 % in volume di fibra di vetro, avvicinandosi così alla resistenza massima teorica per un materiale composito. Ciò farà si da migliorare le prestazioni meccaniche ridu-cendo il peso del componente e riducendo l’utilizzo del materiale plastico utilizzato per la matrice. Il lavoro è stato svolto provando a effettuare la polimerizzazione in-situ del mo-nomero sulla fibra tramite irradiazione con raggi UV durante il processo di filatura del vetro, utilizzando sia un impianto pilota, che fila una fibra alla volta, sia un impianto quasi industriale da 203 filamenti. L’adesione della soluzione monome-rica al vetro è stata studiata tramite misure dell’angolo di contatto mentre il mate-riale prodotto è stato analizzato tramite microscopio ottico, SEM, EDX e tramite analisi termo-gravimetriche TGA. I risultati delle analisi hanno dato buoni risultati confermando la presenza di coating sulle fibre prodotte. Infine, utilizzando una pressa idraulica, è stato anche possibile consolidare le diverse fibre ottenendo, per ogni tipo di fibra prodotta, un piccolo campione ret-tangolare di composito termoplastico rinforzato da fibre di vetro orientate ma-nualmente in direzione assiale.