Vergleich der Auswirkungen verschiedener Modifizierungsmethoden auf die mechanischen Eigenschaften von Basaltfasern

1. Einfluss der Modifizierung mit Silan-Haftvermittlern auf die mechanischen Eigenschaften

Silan-Haftvermittler (z. B. KH-550 und KH-570) bilden durch eine reaktive Beschichtung auf der Oberfläche von Basaltfasern eine reaktive Beschichtung. Chemische Die Bindung verbessert die Grenzflächenhaftung zwischen den Fasern und dem Substrat und hat gleichzeitig einen gewissen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Fasern.

KH-550 Modifiziert:

Vorteile: Sie bilden eine chemische Bindung auf der Faseroberfläche und verbessern die Haftung zwischen Faser und Substrat, ohne die mechanischen Eigenschaften der Faser selbst wesentlich zu beeinträchtigen.

Auswirkungen: Untersuchungen zeigen, dass nach der Modifizierung mit KH-550 die Zugfestigkeit und der Elastizitätsmodul von Basaltfasern im Wesentlichen unverändert bleiben, aber aufgrund der Verbesserung der Grenzflächenhaftungseigenschaften die gesamten mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs deutlich verbessert werden.

KH-570 Modifikation:

Vorteile: KH-570 rauet die Oberfläche der Basaltfasern auf und verbessert deren mechanische Einbettung in die Matrix.

Auswirkungen: Während die Oberflächenaufrauung die Zugfestigkeit der Fasern geringfügig verringern kann, werden die Gesamtfestigkeit, Zähigkeit und Haltbarkeit des Verbundwerkstoffs aufgrund der verbesserten Grenzflächenhaftungseigenschaften deutlich verbessert.

2. Einfluss der Tensidmodifizierung auf die mechanischen Eigenschaften

Kationische Tenside (z. B. CTAC) bilden hauptsächlich durch physikalische Adsorption eine Beschichtung auf der Faseroberfläche. Ihr Hauptzweck ist die Verbesserung der Hydrophilie und Dispergierbarkeit der Fasern.

Vorteil:Die Modifizierung mit Tensiden hat nahezu keine chemische Erosionswirkung auf die Faseroberfläche und beeinflusst daher die mechanischen Eigenschaften der Faser nur geringfügig.

Auswirkungen: Die Zugfestigkeit und der Elastizitätsmodul der Fasern bleiben nach der CTAC-Modifizierung im Wesentlichen unverändert. Die Modifizierung verbessert hauptsächlich die Dispergierbarkeit und Hydrophilie der Fasern, sodass das Matrixmaterial die Fasern gleichmäßig umhüllt und dadurch indirekt die mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe verbessert werden.

3. Einfluss der Modifizierung der Nano-Siliciumdioxid-Beschichtung auf die mechanischen Eigenschaften

Durch die Bildung einer gleichmäßigen Schicht aus Nano-Siliciumdioxid auf der Oberfläche der Basaltfasern wird die Oberflächenrauheit und die Grenzflächenhaftung zwischen Fasern und Matrix verbessert.

Vorteil: Die Nano-Siliciumdioxid-Partikel fungieren als „Brücke“ auf der Faseroberfläche und verstärken so die Bindung zwischen Faser und Matrix.

Auswirkungen:Die Beschichtung mit Siliciumdioxid-Nanopartikeln kann die Faseroberfläche geringfügig beschädigen, hat aber nur einen geringen Einfluss auf die Zugfestigkeit der Fasern (üblicherweise unter 5 %). Nach der Modifizierung lassen sich die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs (z. B. Zugfestigkeit, Biegefestigkeit) deutlich um bis zu 15–30 % verbessern.

4. Einfluss der Modifizierung durch organische Eisen-Flüssigphasenabscheidung auf die mechanischen Eigenschaften

Die Methode der organischen Eisen-Flüssigphasenabscheidung wird hauptsächlich zur Verbesserung der Bioadhäsionsfähigkeit von Basaltfasern eingesetzt, die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erfolgt eher indirekt.

Vorteil: Die Ausbildung der Beschichtung hat einen geringen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Faser und verbessert hauptsächlich die Funktionalität der Faser.

Auswirkungen:Die Beschichtung kann die Steifigkeit der Faser geringfügig erhöhen, der Einfluss auf die Zug- oder Biegefestigkeit ist jedoch nicht signifikant. Die mechanischen Eigenschaften der modifizierten Verbundwerkstoffe sind begrenzt, weshalb sie häufiger im Umweltschutz eingesetzt werden.

5. Einfluss anderer physikalischer oder chemischer Modifikationen auf die mechanischen Eigenschaften

Physikalische Methoden (z. B. Wärmebehandlung):

Durch Wärmebehandlung lässt sich die Oberflächenstruktur der Faser verändern, jedoch kann sie auch die Faser selbst thermisch schädigen und dadurch die Zugfestigkeit verringern. Eine geeignete Wärmebehandlung trägt dazu bei, die Verunreinigungsschicht auf der Faseroberfläche zu entfernen und somit indirekt die Grenzflächenhaftung zwischen Faser und Matrix zu verbessern.

Modifizierung durch chemisches Ätzen:

Chemisches Ätzen (z. B. Säurebehandlung) raut die Faseroberfläche auf und verbessert die mechanische Einbettung der Grenzfläche. Allerdings kann das Ätzen die Faser selbst schwächen, was zu einem Verlust der Zugeigenschaften führt. Dieser Aspekt muss abgewogen werden.

Umfassende Vergleichstabelle

Abschluss

1. Silan-Haftvermittler und Nano-Siliciumdioxid-Beschichtung sind derzeit die Modifizierungsmethoden, die die mechanischen Eigenschaften von Basaltfasern am wenigsten beeinflussen und gleichzeitig die mechanischen Gesamteigenschaften der Verbundwerkstoffe am deutlichsten verbessern.
2. Die Modifizierung mit Tensiden hat fast keinen direkten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Fasern und eignet sich für Anwendungsfälle, in denen die Dispersion oder Hydrophilie der Fasern verbessert werden muss.
3. Chemische Ätzung und Wärmebehandlung sollten mit Vorsicht angewendet werden, da sie zwar die Grenzflächenhaftungseigenschaften verbessern können, aber zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Fasern führen können.
4. Die Wahl des Modifizierungsverfahrens sollte auf den Anwendungsanforderungen basieren, wobei die Leistung der Faser selbst und die Gesamtleistung des Verbundwerkstoffs gegeneinander abgewogen werden müssen, um den Effekt zu verbessern.