Vergelijking van de effecten van verschillende modificatiemethoden op de mechanische eigenschappen van basaltvezels
1. Effect van de modificatie van het silaankoppelingsmiddel op de mechanische eigenschappen
Silane-koppelingsmiddelen (bijv. KH-550 en KH-570) vormen een reactieve coating op het oppervlak van basaltvezels door Chemisch binding, die de hechting tussen de vezels en het substraat verbetert en tegelijkertijd een bepaald effect heeft op de mechanische eigenschappen van de vezels.
KH-550 Gewijzigd:
Voordelen: vormen een chemische binding op het vezeloppervlak en verbeteren de hechting tussen de vezel en het substraat, zonder de mechanische eigenschappen van de vezel zelf noemenswaardig te beschadigen.
Invloed: Uit onderzoek blijkt dat de treksterkte en de elasticiteitsmodulus van basaltvezels na modificatie met KH-550 in principe onveranderd blijven. Door de verbetering van de grensvlakbindingseigenschappen worden de algehele mechanische eigenschappen van het composietmateriaal echter aanzienlijk verbeterd.
KH-570 modificatie:
Voordelen: KH-570 ruwt het oppervlak van de basaltvezels op en verbetert hun mechanische inbedding in de matrix.
Invloed: Hoewel het ruwer maken van het oppervlak de treksterkte van de vezels enigszins kan verminderen, worden de algehele sterkte, taaiheid en duurzaamheid van het composiet aanzienlijk verbeterd vanwege de verbeterde eigenschappen van de grensvlakbinding.
2. Effect van oppervlakteactieve modificatie op mechanische eigenschappen
Kationische oppervlakteactieve stoffen (bijv. CTAC) vormen een coating op het vezeloppervlak, voornamelijk door fysische adsorptie. Hun belangrijkste doel is om de hydrofiliteit en dispergeerbaarheid van vezels te verbeteren.
Voordeel:De oppervlakteactieve modificatie heeft vrijwel geen chemische erosie-effecten op het vezeloppervlak en heeft daarom minder effect op de mechanische eigenschappen van de vezel.
Invloed: De treksterkte en elasticiteitsmodulus van de vezel blijven na CTAC-modificatie in principe onveranderd. De modificatie verbetert voornamelijk de dispergeerbaarheid en hydrofiliteit van de vezels, waardoor het matrixmateriaal de vezels gelijkmatig omhult en indirect de mechanische eigenschappen van de composieten verbetert.
3. Effect van nanosilicacoatingmodificatie op mechanische eigenschappen
Nano-silicacoating verbetert de oppervlakteruwheid en het vermogen tot grensvlakbinding tussen vezels en matrix door een uniforme laag nanodeeltjes te vormen op het oppervlak van basaltvezels.
Voordeel: De nano-silicadeeltjes fungeren als een ‘brug’ op het vezeloppervlak en versterken de binding tussen de vezel en de matrix.
Invloed:De coating met silica-nanodeeltjes kan lichte fysieke schade aan het vezeloppervlak veroorzaken, maar de impact op de treksterkte van de vezels is gering (meestal minder dan 5%). Na modificatie kunnen de algehele mechanische eigenschappen (bijv. treksterkte, buigsterkte) van het composietmateriaal aanzienlijk worden verbeterd, tot wel 15%-30%.
4. Effect van modificatie van vloeibare fase-afzetting van organisch ijzer op mechanische eigenschappen
De vloeibare fase-afzettingsmethode van organisch ijzer wordt voornamelijk gebruikt om het bioadhesievermogen van basaltvezels te verbeteren. De verbetering van de mechanische eigenschappen is meer indirect.
Voordeel: De vorming van de coating heeft een gering effect op de mechanische eigenschappen van de vezel, maar verbetert vooral de functionaliteit van de vezel.
Invloed:De coatinglaag kan de stijfheid van de vezel licht verhogen, maar de invloed op de trek- of buigsterkte is niet significant. De mechanische eigenschappen van de gemodificeerde composieten zijn beperkt en ze worden vaker gebruikt in de milieubeschermingssector.
5. Effect van andere fysieke of chemische modificaties op mechanische eigenschappen
Fysische methoden (bijv. warmtebehandeling):
Warmtebehandeling kan de oppervlaktestructuur van de vezel veranderen, maar kan ook thermische schade aan de vezel zelf veroorzaken, wat resulteert in een afname van de treksterkte. Een geschikte warmtebehandeling helpt de onzuiverheidslaag op het vezeloppervlak te verwijderen, waardoor indirect de hechtingseigenschappen tussen de vezel en de matrix worden verbeterd.
Modificatie door middel van chemisch etsen:
Chemisch etsen (bijvoorbeeld met zuur) maakt het vezeloppervlak ruwer en verbetert de mechanische inbedding van de interface. Etsen kan echter de vezel zelf verzwakken, wat resulteert in een verlies aan treksterkte, wat moet worden gewogen.
Uitgebreide vergelijkingstabel
| Modificatiemethoden | Mechanische eigenschappen hebben direct invloed op | Verbetering van de algehele mechanische eigenschappen van composieten | Hoofdwerkingsmechanisme |
| Silane-koppelingsmiddel (KH-550) | Grotendeels onaangetast | Verhoog aanzienlijk | Chemische binding voor verbeterde grensvlakbinding |
| Silane-koppelingsmiddel (KH-570) | Oppervlakteverruwing leidt tot een lichte verzwakking van de vezels | Verhoog aanzienlijk | Verbeterde mechanische inbedding |
| CTAC Oppervlakteactieve stof | Grotendeels onaangetast | Indirecte promotie | Verbeterde dispersie en hydrofiliteit |
| Nano siliciumdioxide coating | Lichte verzwakking van de vezelsterkte (niet meer dan 5%) | Verhoog aanzienlijk (15%-30%) | Verhoogt de ruwheid en verbetert de grensvlakcompatibiliteit |
| Modificatie van organische ijzerafzetting | Grotendeels onaangetast | Beperkte promotie | Verbeterde bio-hechting |
| warmtebehandeling (bijv. van metaal) | Kan thermische schade veroorzaken, wat resulteert in verlies van vezelsterkte | Indirecte promotie | Verwijdering van de oppervlakteverontreinigingslaag en verbetering van de grensvlakbindingseigenschappen |
| Chemische etsmodificatie | Ruwer maken verbetert de grensvlakbinding, maar kan de vezels verzwakken | Beperkte promotie | Oppervlakteruwing voor verbeterde mechanische invoeging |
Conclusie
- Silane-koppelingsmiddelen en nano-silicacoating zijn momenteel de modificatiemethoden die de mechanische eigenschappen van basaltvezels het minst beïnvloeden. Tegelijkertijd verbeteren ze de algehele mechanische eigenschappen van de composieten het meest aanzienlijk.
- Modificatie met oppervlakteactieve stoffen heeft vrijwel geen direct effect op de mechanische eigenschappen van vezels. Het is geschikt voor situaties waarin de dispersie of hydrofiliteit van vezels moet worden verbeterd.
- Chemisch etsen en warmtebehandeling moeten met voorzichtigheid worden toegepast. Hoewel ze de bindingseigenschappen van de vezels kunnen verbeteren, kunnen ze leiden tot een afname van de mechanische eigenschappen van de vezels.
- De keuze van de modificatiemethode moet gebaseerd zijn op de toepassingsvereisten, waarbij de prestaties van de vezel zelf en de algehele prestaties van het composietmateriaal in overweging worden genomen om het effect te verbeteren.
