Glass fiber continuous filament mat reinforced polyurethane foams : effect of processing conditions on the structure and properties of the composite panels

This work is the result of collaboration between Politecnico di Milano and Owens Corning (Besana in Brianza, MB). Owens Corning is a global company, leader in the production and development of insulation, roofing, and glass fiber (GF) utilized in fiberglass composites. GFs are one of the most common reinforcing fibers but are seldom coupled with a polyurethanes (PU) matrix. GFs, in the form of continuous filament mat (CFM), are used to reinforce polyurethane foams (PUF) exploited in the cargo containment systems of ships transporting liquefied natural gas, because of their ability to improve the fracture toughness of the PUFs at cryogenic temperatures. Recently, a few example adopting GF reinforced polyurethane foams (RPUF) as a non-structural material in the automotive industry, have appeared on the market. The aim of this work was the development of a manual process to produce close-molded panels of polyurethane foam reinforced with glass fibers and the characterization of this material with respect to its glass’ content and the density of the panel itself. The process’ variables which influenced the outcome of the process had to be studied and tuned properly to avoid problems and significant defects in the panels. Modifications of the mold and the PU’s formulation have also been carried out. First, four different types of glass fibers were considered: DUCS (chopped glass fibers), CSM (Chopped Strand Mat) and two types of CFM (Continuous Filament Mat): both with low, but different binder’s mass fraction. X-rays images of the samples were then observed and the CFM with the lowest binder’s mass fraction, which was the most suitable option, was selected for further experimental tests. The material was then characterized with respect to its glass’ content and the density of the panel itself through the following experimental tests: tensile, compressive and bending tests, screw pullout, water absorption and dart drop tests. The thermal conductivity was also evaluated. Panels at three different target densities and glass’ mass fraction were produced and analyzed to evaluate the reinforcing effect of GF.

Il presente lavoro di tesi è il risultato di una collaborazione tra il Politecnico di Milano e Owens-Corning, azienda leader a livello globale nella produzione e nello sviluppo di isolamenti, tetti e compositi in vetroresina. La fibra di vetro (GF) è uno dei più comuni materiali di rinforzo, ma è di rado accoppiata con matrici in poliuretano (PU). La fibra di vetro, sotto forma di CFM (continuous filament mat) è usata per rinforzare le schiume poliuretaniche (PUF), impiegate per realizzare i serbatoi in cui viene stoccato il gas naturale, in forma liquida, all’interno delle metaniere, per via della sua capacità di migliorare la resistenza a frattura della PUF a temperature criogeniche. Recentemente, alcuni esempi di schiuma poliuretanica rinforzata (RPUF) con GF sono apparsi sul mercato come materiali per applicazioni non strutturali nel settore dell'industria automobilistica, in particolare quella legata ai camper. Lo scopo di questo progetto di tesi è stato lo sviluppo di un processo manuale per la produzione a stampo chiuso di pannelli in schiuma poliuretanica rinforzata con fibra di vetro, e l’analisi di questo materiale rispetto alla frazione di vetro presente in esso ed alla densità del pannello. Le principali variabili in grado di influenzare il processo sono state studiate e regolate per evitare problemi e difetti significativi nei pannelli. E’ stato necessario apportare modifiche allo stampo ed alla formulazione del PU. Quattro tipologie di GF sono state considerate come rinforzo: DUCS (fili tagliati), CSM (chopped strand mat) e due tipi di CFM, entrambi a bassa percentuale di legante, ma differente. I campioni sono stati poi osservati ai raggi-x e il CFM con la minor frazione di legante, ritenuto la soluzione più adatta, è stato scelto per ulteriori test. Il materiale è stato quindi caratterizzato rispetto al suo contenuto di fibra ed alla densità del pannello attraverso i seguenti test: trazione, compressione e flessione, screw pullout, assorbimento d’acqua e impatto al dardo. Ne è stata inoltre valutata la capacità termica. Pannelli a tre differenti percentuali in massa di GF sono stati prodotti e studiati per valutare l'effetto di rinforzo della fibra.