DE102017128245A1

DE102017128245A1 - Basaltfaserverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE102017128245A1
Application number: DE102017128245.9A
Authority: DE
Inventors: Kyung Hwan Oh; Soon Hyung Hong; Si Won YU; Jae Min Cha
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp; Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Hyundai Motor Co; Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST; Kia Corp
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2018-12-27
Also published as: US20210147643A1; US11407865B2; KR102406176B1; US10934401B2; US20180371187A1; KR20180138325A

Abstract

Ein basaltfaserverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial kann ein thermoplastisches Harz und eine Basaltfaser als Verstärkung umfassen, wobei die Basaltfaser mit einer mit einer Alkoxygruppe substituierten Silanverbindung oberflächenbehandelt ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein basaltfaserverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial und ein Verfahren zum Herstellen desselben, und insbesondere ein basaltfaserverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial und ein Verfahren zum Herstellen desselben. Die oberflächenbehandelte Basaltfaser der vorliegenden Erfindung wird verwendet, um selbst einer Matrix, die ein thermoplastisches Harz, insbesondere einen technischen Kunststoff (EP) umfasst, eine ausgezeichnete Grenzflächenadhäsion zu verleihen, wodurch verschiedene Eigenschaften des Verbundmaterials, wie zum Beispiel die Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Biegemodul, Schlagzähigkeit und dergleichen verbessert werden.
Beschreibung der verwandten Technik
Aufgrund der jüngsten Diversifizierungen und Spezialisierungen von Wirtschaftszweigen, zum Beispiel in der Automobilbranche, in der Baubranche und im Bereich Luft und Raumfahrt usw., ist die Bedeutung von Verbundmaterialien, die bestimmte Funktionen, wie zum Beispiel eine hohe Festigkeit, eine hohe Wärmebeständigkeit, eine hohe Elastizität und dergleichen besitzen, stark gestiegen, und expandieren die betreffenden Märkte mit hoher Geschwindigkeit. Im Bereich des Automobilbaus ist eine Steigerung der Kraftstoffeffizienz aufgrund von strengen Umweltvorschriften von großer Bedeutung, und besteht somit Bedarf an leichten Verbundmaterialien. Um in diesen Bereichen Metall ersetzen zu können, steigt dementsprechend auch die Nachfrage nach faserverstärkten Kunststoff-Verbundmaterialien mit hoher Festigkeit und hoher Wärmebeständigkeit stark an. Die Matrix des faserverstärkten Verbundmaterials umfasst hauptsächlich duroplastisches Harz, zum Beispiel Epoxid. Darüber hinaus umfasst die Verstärkung des faserverstärkten Verbundmaterials typischerweise Glasfasern (GF), und finden Aramidfasern (AF) oder Kohlenstofffasern (CF) hauptsächlich bei einigen hochfunktionellen Teilen Anwendung.
Aufgrund der aktuellen Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsformungs-Herstellungstechnologien zusammen mit Massenproduktion und Versorgung in Antwort auf das starke Wachstum der Märkte für Verbundmaterialprodukte werden derzeit zahlreiche Versuche unternommen, duroplastisches Harz, das üblicherweise als Matrix dient, durch thermoplastisches Harz zu ersetzen. Darüber hinaus sollten Materialien, die recycelt und wiederverwendet werden können, aufgrund der zunehmenden Bedeutung des Umweltschutzes in Betracht gezogen werden, was dazu führt, dass faserverstärktes Verbundmaterial mit einer Matrix, die einen technischen Kunststoff (EP) umfasst, der ein thermoplastisches Harz mit den gewünschten Eigenschaften und einer guten Wiederverarbeitbarkeit hat, als ideales Material in den Fokus rückt. Die Verwendung von Glasfasern, die möglicherweise als krebserregend einzustufen sind, ist begrenzt, und für Aramidfasern und Kohlenstofffasern bestehen aufgrund des technologischen Protektionismus in den Industrieländern hohe Marktzutrittsschranken; darüber hinaus sind sie kostspielig, was ihre Nutzung als industrielle Materialien erschwert. In jüngster Zeit ist das Interesse an der Verwendung von Basaltfasern (BF) als Verstärkung anstelle von Glasfasern in den Vordergrund gerückt.
Basaltfasern werden durch Schmelzen von Basalt bei 1500°C und durch Spinnen von feinen Fasern mit einem Durchmesser von 9 bis 12 µm erhalten und sind typischerweise aus 43 bis 53 % Siliciumdioxid (SiO₂), 12 bis 16 % Aluminiumoxid (Al₂O₃), 6 bis 18 % Eisenoxid (FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄), 10 bis 20 % Erdalkalimetall und 2 bis 8 % Alkalimetall zusammengesetzt. Basaltfasern sind nicht-toxisch und umweltfreundlich, da sie keine Lungenfibrose verursachen und nicht karzinogen sind. Darüber hinaus sind Basaltfasern dahingehend vorteilhaft, dass bei der Faserherstellung im Vergleich zu Glasfasern weniger Energie verbraucht wird und sie ferner über ausgezeichnete mechanische Eigenschaften (Festigkeit, Härte), Wärmebeständigkeit (Feuerbeständigkeit, Wärmeisolierung, Hitzebeständigkeit), Barriereeigenschaften (Schalldämmung, Schallabsorption, Feuchteschutz), Verschleißfestigkeit und chemische Beständigkeit (Erosionswiderstand, Korrosionsfestigkeit) verfügen. Obwohl osteuropäische Länder und dergleichen die Hauptlieferanten für Basalt sind, gibt es auch ausreichend hohe Basaltvorkommen in Cheolwon, Korea. Somit ist auch eine deutliche Expansion des koreanischen Marktes zu erwarten, so dass in Korea in Zukunft die Inlandsproduktion möglich sein wird, ohne dass Rohstoffe importiert werden müssten.

Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt die Merkmale und Lieferpreise für Basaltfasern, Glasfasern und Kohlenstofffasern, die als Verstärkung für Verbundmaterialien verwendet werden. [Tabelle 1]

Posten	Eigenschaften und Preise für Verstärkungen
Posten	Basaltfaser	E-Glasfaser	S-Glasfaser	Kohlenstofffaser
Stärke (GPa)	3,00 ~ 4,84	3,40 ~ 3,50	4,02 ~ 4,65	3,5 ~ 6,0
Modul (GPa)	93 ~ 110	72 ~ 74	83 ~ 86	230 ~ 600
Dehnungsfähigkeit (%)	3,5	3,02	2,5	1,4 ~ 1, 8
Dichte (g/cm³)	2,6 ~ 2,8	2,54	2,49	1,80
Schmelzpunkt (°C)	1220	1064	1500	-
Faserformungstemperatur (°C)	1300	1200	1565	-
Preis (€/kg)	2-3	1 ~ 2	8 ~ 10	15 ~ 30

In jüngster Zeit wird an Verbundmaterialien geforscht, bei denen Basaltfasern als Verstärkung verwendet werden, und sind Patentanmeldungen in diesem Bereich anhängig, wobei sich die Techniken in diesem Zusammenhang noch im Frühstadium befinden und insbesondere die Forschung in Korea in diesem Zusammenhang noch nicht besonders weit ist.
Insbesondere sind angezeigte Techniken zum Erhöhen der Steifigkeit und der Wärmebeständigkeit von Harz durch Hinzufügen eines Polymerharzes mit Basaltfasern die folgenden.
Das koreanische Patent Nr. 10-0262660 offenbart ein Polymerverbundmaterial, bei dem die Basaltfaser mit einem Gemisch aus einem Polyesterharz und einem Phenolformaldehydharz imprägniert ist, wobei es sich um ein duroplastisches Harz unter Verwendung eines Prepreg-Vorgangs handelt, wodurch dieses für die Massenproduktion und Wiederverwertbarkeit nicht geeignet ist.
Das koreanische Patent Nr. 10-1538032 offenbart ein faserverstärktes Verbundmaterial und ein Verfahren zum Herstellen desselben, wobei ein Gewebe, das Basaltfasern enthält, als Verstärkung verwendet wird. Das in diesem Patent offenbarte Verbundmaterial unterscheidet sich in Bezug auf seine Betriebseigenschaften und sein Herstellungsverfahren stark von dem Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung, bei der Basaltfasern in Kurzfaserform verwendet werden.
Die koreanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 10-2015-0069508 offenbart ein Verbundmaterial, bei dem Basaltfasern und einem Epoxidharz Montmorillonit-Nanopulver hinzugefügt wird, so dass diese deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften (insbesondere Zugfestigkeit und Verschleißfestigkeit) aufweisen. Die Menge des in das Harz geladenen Nanopulvers ist jedoch erhöht, so dass die Fluidität und die Fließfähigkeit verschlechtert sind, was nicht wünschenswert ist.
Die koreanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 10-2015-0073831 offenbart einen Masterbatch-Chip, der ein thermoplastisches Harz und eine Basalt-Kurzfaser enthält, sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben, wobei jedoch der Anstieg der Grenzflächenadhäsion zwischen der Faser und dem Harz noch nicht ausreicht.
Die obige Beschreibung der verwandten Technik soll lediglich dem besseren Verständnis des allgemeinen Hintergrundes der vorliegenden Erfindung dienen und nicht als der Stand der Technik verstanden werden, der dem Fachmann auf dem Gebiet wohlbekannt ist.
KURZE ERFINDUNGSERLÄUTERUNG
Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung sind darauf gerichtet, ein basaltfaserverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial und ein Verfahren zum Herstellen desselben bereitzustellen, wobei das basaltfaserverstärkte thermoplastische Verbundmaterial derart konfiguriert ist, dass ein thermoplastisches Harz, das als Matrix dient, und eine bestimmte oberflächenbehandelte Basaltfaser, die als Verstärkung dient, komplexiert werden.
Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung sind darauf gerichtet, ein basaltfaserverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial bereitzustellen, welches ein thermoplastisches Harz als Matrix und eine Basaltfaser als Verstärkung umfasst, wobei die Basaltfaser mit einer mit einer Alkoxygruppe substituierten Silanverbindung oberflächenbehandelt ist.
Darüber hinaus sind verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung darauf gerichtet, ein basaltfaserverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial bereitzustellen, welches ein thermoplastisches Harz als Matrix und Basaltfaser als Verstärkung umfasst, wobei die Basaltfaser mit einer mit einer Alkoxygruppe substituierten Silanverbindung und, unter Bedingungen, in denen Sauerstoff (O₂) zugeführt wird, ferner mit Plasma oberflächenbehandelt ist.
Darüber hinaus sind verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung darauf gerichtet, ein Verfahren zum Herstellen eines basaltfaserverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials bereitzustellen, umfassend: 1) Imprägnieren der Basaltfaser mit einer Tauchlösung, die eine mit einer Alkoxygruppe substituierte Silanverbindung enthält, so dass die Basaltfaser mit der Silanverbindung oberflächenbehandelt wird, und 2) Komplexieren der oberflächenbehandelten Basaltfaser mit einem thermoplastischen Harz.
Darüber hinaus sind verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung darauf gerichtet, ein Verfahren zum Herstellen eines basaltfaserverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials bereitzustellen, umfassend: 1-A) Imprägnieren einer Basaltfaser mit einer Tauchlösung, die eine mit einer Alkoxygruppe substituierte Silanverbindung enthält, so dass die Basaltfaser mit der Silanverbindung oberflächenbehandelt wird, 1-B) Unterziehen der mit der Silanverbindung oberflächenbehandelten Basaltfaser einer Plasma-Oberflächenbehandlung unter Bedingungen, in denen Sauerstoffgas (O₂) zugeführt wird, und 2) Komplexieren der oberflächenbehandelten Basaltfaser mit einem thermoplastischen Harz.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein basaltfaserverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial derart konfiguriert, dass die Basaltfaser in einer Matrix, die ein thermoplastisches Harz, insbesondere einen technischen Kunststoff (EP) umfasst, gleichmäßig verteilt ist und eine hohe Grenzflächenadhäsion zwischen dem Harz und der Faser hat. Das basaltfaserverstärkte thermoplastische Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung hat eine geringe relative Dichte und gleichzeitig eine verbesserte Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Biegemodul, Schlagzähigkeit und dergleichen.
Herkömmlicherweise werden ein Prepreg-Verfahren und ein Masterbatch-Herstellungsvorgang durchgeführt, um ein Verbundmaterial herzustellen, welches verbesserte Eigenschaften hat. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird jedoch die Basaltfaser einer chemischen Oberflächenbehandlung unter Verwendung einer Silanverbindung unterzogen, die unter Berücksichtigung der Oberflächeneigenschaften der Basaltfaser als optimales Oberflächenbehandlungsmittel ausgewählt ist, oder nach der Behandlung mit einer Silanverbindung einer zusätzlichen Plasma- optischen Oberflächenbehandlung unter Verwendung von Sauerstoff (O₂) unterzogen, um eine gleichmäßige Dispersion der Basaltfaser in der thermoplastisches-Harz-Matrix und eine hohe Grenzflächenadhäsion dazwischen zu erhalten. Aus diesem Grund ist das Verfahren zum Herstellen des Verbundmaterials gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wirkungsvoll zum reproduzierbaren Erhalten eines basaltfaserverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials mit einer geringen relativen Dichte und ausgezeichneten Eigenschaften, zum Beispiel Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Biegemodul, Schlagzähigkeit und dergleichen.
Die obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit Hilfe der folgenden ausführlichen Beschreibung deutlicher, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.
Die obigen sowie weitere Merkmale der Erfindung sind nachfolgend erläutert.
Figurenliste
In den Zeichnungen zeigen:

1 die Ergebnisse einer Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) für die gesteuerte Oberflächenpolarität einer Basaltfaser durch Unterziehen der Basaltfaser einer Oberflächenbehandlung mit einer Silanverbindung und anschließend einer Plasmabehandlung.
2 Rasterelektronenmikroskop- (REM) -Bilder zum Vergleichen des Umfangs der Grenzflächenadhäsion zwischen einem Nylon 66 Harz und einer Verstärkung, wobei das Referenzbeispiel 1 ein glasfaserverstärktes Nylon 66 Verbundmaterial zeigt, Referenzbeispiel 3 ein basaltfaserverstärktes Nylon 66 Verbundmaterial zeigt und die Beispiele 1 bis 3 Silanverbindungoberflächenbehandelte basaltfaserverstärkte Nylon 66 Verbundmaterialien zeigen.

Es wird angemerkt, dass die angehängten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, wobei sie eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener Merkmale darstellen, die die Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung erläutern. Die spezifischen Gestaltungsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hier offenbart sind, einschließlich beispielsweise bestimmter Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen werden zum Teil durch die besondere beabsichtigte Anwendung und durch das Nutzungsumfeld bestimmt.
Die Bezugszeichen in den Figuren beziehen sich auf gleiche oder gleichwertige Teile der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachfolgend wird ausführlich auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei Beispiele hierfür in den angehängten Zeichnungen erläutert und nachfolgend beschrieben sind. Obgleich die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben ist, wird angemerkt, dass die Erfindung durch die vorliegende Beschreibung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Im Gegenteil soll die Erfindung nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen sondern auch zahlreiche Alternativen, Modifizierungen, Entsprechungen und andere Ausführungsformen miteinschließen.
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Oberflächeneigenschaften der Basaltfaser gesteuert, indem die Basaltfaser einer Oberflächenbehandlung mit einer Silanverbindung oder einer zusätzlichen Plasma-Oberflächenbehandlung unter Verwendung von Sauerstoff (O₂) nach einer Oberflächenbehandlung mit einer Silanverbindung unterzogen wird, wodurch eine gleichmäßige Dispersion der Basaltfaser in der thermoplastisches-Harz-Matrix sowie eine hohe Grenzflächenadhäsion dazwischen induziert werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das basaltfaserverstärkte thermoplastische Verbundmaterial nachfolgend im Einzelnen beschrieben.
Das Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung umfasst ein thermoplastisches Harz und eine oberflächenbehandelte Basaltfaser. Insbesondere umfasst das Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung etwa 50 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% (zum Beispiel etwa 50 Gew.-%, etwa 55 Gew.-%, etwa 60 Gew.-%, etwa 65 Gew.-%, etwa 70 Gew.-%, etwa 75 Gew.-%, etwa 80 Gew.-%, etwa 85 Gew.-% oder etwa 90 Gew.-%) thermoplastisches Harz und etwa 10 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% (zum Beispiel etwa 10 Gew.-%, etwa 15 Gew.-%, etwa 20 Gew.-%, etwa 25 Gew.-%, etwa 30 Gew.-%, etwa 35 Gew.-%, etwa 40 Gew.-%, etwa 45 Gew.-% oder etwa 50 Gew.-%) oberflächenbehandelte Basaltfaser.
Darüber hinaus kann das Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung ferner ein typischerweise nützliches Additiv, zum Beispiel einen wärmebeständigen Stabilisator, ein Schmiermittel, ein Antioxidans usw. umfassen. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird der wärmebeständige Stabilisator hinzugefügt, um eine langfristige Wärmebeständigkeit von Teilen aufrechtzuerhalten, wobei dieser in einer Menge von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1,0 Gew.-% (zum Beispiel etwa 0,1 Gew.-%, etwa 0,2 Gew.-%, etwa 0,3 Gew.-%, etwa 0,4 Gew.-%, etwa 0,5 Gew.-%, etwa 0,6 Gew.-%, etwa 0,7 Gew.-%, etwa 0,8 Gew.-%, etwa 0,9 Gew.-% oder etwa 1,0 Gew.-%) basierend auf dem Gesamtgewicht des Verbundmaterials enthalten sein kann. Das Schmiermittel wird beigefügt, um ein effizientes Strömen des Verbundmaterials bei der Extrusions- oder Spritzverarbeitung zu induzieren, und kann in einer Menge von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1,0 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht des Verbundmaterials enthalten sein. Das Antioxidans wird beigefügt, um den Abbau des Verbundmaterials zu verhindern und kann in einer Menge von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1,0 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht des Verbundmaterials enthalten sein.
Das Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung umfasst ein thermoplastisches Harz als Matrix. Insbesondere kann das thermoplastische Harz mindestens ein technischer Kunststoff sein, der aus der Gruppe bestehend aus Polymilchsäure, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polypropylen, Polyethylen, Polystyrol, Polyamid, Polycarbonat, Polyvinylchlorid, chloriertem Polyvinylchlorid, Styrol-Acrylnitril, einem Acryl-Styrol-Acrylnitril-Terpolymer (Acrylnitril-Styrol-Acrylat), Polysulfon, Polyurethan, Polyphenylensulfid, Polyacetal, Polyaramid, Polyimid, Polyester, einem Polyester-Elastomer, Esteracrylat, einem Ethylen-Propylen-Copolymer, einem Styrol-Butadien-Copolymer und einem Vinylacetat-Ethylen-Copolymer ausgewählt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Auswahl des thermoplastischen Harzes nicht im Besonderen begrenzt und ist hinsichtlich der Verbesserung der Eigenschaften des Verbundmaterials die Verwendung von Polyamidharz, wie zum Beispiel Nylon 6 oder Nylon 66 zu bevorzugen.
Das Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung umfasst die oberflächenbehandelte Basaltfaser. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird die Basaltfaser durch Schmelzen von Basalt bei 1500°C und anschließendes Spinnen der Faser erhalten. In einigen Beispielen hat die Basaltfaser einen Durchmesser von etwa 10 µm bis 30 µm (zum Beispiel etwa 10 µm, etwa 12 µm, etwa 14 µm, etwa 16 µm, etwa 18 µm, etwa 20 µm, etwa 22 µm, etwa 24 µm, etwa 26 µm, etwa 28 µm oder etwa 30 µm) und eine Länge von etwa 1 bis 20 mm (zum Beispiel etwa 1 mm, etwa 2 mm, etwa 3 mm, etwa 4 mm, etwa 5 mm, etwa 6 mm, etwa 7 mm, etwa 8 mm, etwa 9 mm, etwa 10 mm, etwa 11 mm, etwa 12 mm, etwa 13 mm, etwa 14 mm, etwa 15 mm, etwa 16 mm, etwa 17 mm, etwa 18 mm, etwa 19 mm oder etwa 20 mm).
Um eine gleichmäßige Dispersion der Basaltfaser in der Matrix und eine hohe Grenzflächenadhäsion dazwischen zu erhalten, umfasst das Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung eine oberflächenbehandelte Basaltfaser. Die oberflächenbehandelte Basaltfaser wird durch Durchführen einer optimalen Oberflächenbehandlung erhalten, wobei die Oberflächeneigenschaften der Basaltfaser als Verstärkung und die Eigenschaften des thermoplastischen Harzes als Matrix berücksichtigt werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Basaltfaser einer Oberflächenbehandlung unterzogen, einschließlich einer chemischen Oberflächenbehandlung unter Verwendung einer mit einer Alkoxygruppe substituierten Silanverbindung oder einer zusätzlichen Plasmaoptischen Oberflächenbehandlung unter Verwendung von Sauerstoff (O₂).
Die Silanverbindung, die verwendet wird, um die chemische Oberflächenbehandlung der Basaltfaser der vorliegenden Erfindung durchzuführen, ist eine Verbindung, bei der mindestens eine Alkoxygruppe substituiert ist, und ist insbesondere durch die folgende chemische Formel 1 dargestellt.
In der chemischen Formel 1,
ist X aus einem Halogenatom, einer Mercaptogruppe, -C₁ bis C₁₀-Alkyl-NR^aR^b, -C₁ bis C₁₀-Alkyl-NHC(O)NH₂, -C₁ bis C₁₀-Alkyl-NCO, einer Epoxidgruppe, einer Vinylgruppe, einer Styrylgruppe und -C₁ bis C₁₀ -Alkyl-S-S-S-S-C₁ bis C₁₀-Alkyl-Si (R₁R₂R₃) ausgewählt,
sind R₁, R₂ und R₃, die gleich oder unterschiedlich sein können, jeweils aus einer Hydroxylgruppe, einer C₁ bis C₁₀-Alkylgruppe, einer Acryloxy-C₁ bis C₁₀-Alkylgruppe, einer Methacryloxy-C₁ bis C₁₀-Alkylgruppe und einer C₁ bis C₁₀-Alkoxygruppe ausgewählt, wobei mindestens eines von R₁, R₂ und R₂ eine Alkoxygruppe ist, und
sind R^a und R^b, die gleich oder unterschiedlich sein können, jeweils aus einem Wasserstoffatom, einer C₁ bis C₁₀-Alkylgruppe, C₂- bis C₁₀-Alkenyl und einer Phenylgruppe ausgewählt.
Die Silanverbindung kann in Abhängigkeit von der Art der funktionellen Gruppe in vier Typen unterteilt sein, zum Beispiel Chlorsilan, Alkoxysilan, Silazan und organofunktionelles Silan. Darüber hinaus kann die Silanverbindung in Abhängigkeit von ihrer Endnutzung in eine Silanverbindung mit einer Grenzflächenfunktion, eine Silanverbindung mit einer Oberflächenfunktion und eine Silanverbindung mit einer internen Funktion unterteilt sein.
Insbesondere kann die Silanverbindung, die verwendet wird, um die chemische Oberflächenbehandlung der Basaltfaser der vorliegenden Erfindung durchzuführen, mindestens eines aufweisen, das aus der Gruppe bestehend aus vinylbasiertem Silan, einschließlich Vinyltrimethoxysilan und Vinyltriethoxysilan, epoxidbasiertem Silan, einschließlich 2-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropylmethyldimethoxysilan, 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropylmethyldiethoxysilan und 3-Glycidoxypropyltriethoxysilan, styrolbasiertem Silan, einschließlich p-Styryltrimethoxysilan, methacrylbasiertem Silan, einschließlich 3-Methacryloxypropylmethyldimethoxysilan, 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, 3-Methacryloxypropylmethyldiethoxysilan und 3-Methacryloxypropyltriethoxysilan, acrylbasiertem Silan, einschließlich 3-Acryloxypropyltrimethoxysilan, aminbasiertem Silan, einschließlich N-2-(Aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilan, N-2-(Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyltriethoxysilan, N-Phenyl-3-aminopropyltriethoxysilan, 3-Triethoxysilyl-N-(1,3-dimethyl-butyliden)propylamin und N-(Vinylbenzyl)-2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilanhydrochlorid, isocyanursäurebasiertem Silan, einschließlich Tris(trimethoxysilylpropyl)isocyanurat, ureidobasiertem Silan, einschließlich 3-Ureidopropyltrimethoxysilan, mercaptobasiertem Silan, einschließlich 3-Mercaptopropylmethyldimethoxysilan und 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan, sulfidbasiertem Silan, einschließlich Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfid, und isocyanatbasiertem Silan, einschließlich 3-Isocyanatopropyltriethoxysilan ausgewählt ist.
Aus Beispielen der Silanverbindung wird vorzugsweise eine aminbasierte Silanverbindung verwendet. Dies liegt daran, dass der Hydrolysevorgang relativ einfach ist und die Amingruppe, die eine polare funktionelle Gruppe ist, die am Kettenende vorliegt, eine starke Wasserstoffbindung mit einer Matrix bilden kann, wodurch die Eigenschaften des Verbundmaterials weiter verbessert sind.
Die Menge der Silanverbindung, die zur chemischen Oberflächenbehandlung der Basaltfaser verwendet wird, kann auf den Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% (zum Beispiel etwa 0,1 Gew.-%, 0,5 Gew.-%, etwa 1,0 Gew.-%, etwa 1,5 Gew.-%, etwa 2,0 Gew.-%, 2,5 Gew.-%, etwa 3,0 Gew.-%, etwa 3,5 Gew.-%, etwa 4,0 Gew.-%, etwa 4,5 Gew.-%, etwa 5,0 Gew.-%, 5,5 Gew.-%, etwa 6,0 Gew.-%, etwa 6,5 Gew.-%, etwa 7,0 Gew.-%, etwa 7,5 Gew.-%, etwa 8,0 Gew.-%, 8,5 Gew.-%, etwa 9,0 Gew.-%, etwa 9,5 Gew.-% oder etwa 10 Gew.-%) basierend auf dem Gesamtgewicht des Verbundmaterials festgesetzt sein. Wenn die Menge der Silanverbindung weniger als 0,1 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht des Verbundmaterials beträgt, sind keine gleichmäßige Dispersion der Verstärkung in der Matrix und keine hohe Grenzflächenadhäsion dazwischen zu erwarten. Wenn auf der anderen Seite die Menge der Silanverbindung 10 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht des Verbundmaterials übersteigt, ist die Wirkung des Verbesserns der Eigenschaften trotz der übermäßigen Verwendung davon gering und können die Eigenschaften stattdessen verschlechtert sein.
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann zum Durchführen der Oberflächenbehandlung der Basaltfaser nach der chemischen Oberflächenbehandlung unter Verwendung der mit der Alkoxygruppe substituierten Silanverbindung zusätzlich eine Plasma- optische Oberflächenbehandlung unter Verwendung von Sauerstoffgas (O₂) durchgeführt werden.
Die Plasma-Oberflächenbehandlung wird auf eine Weise durchgeführt, bei der aktive energiereiche Partikel in verschiedenen Formen, zum Beispiel Ionen, Radikale, angeregte Atome, angeregte Moleküle, usw. zum Kollidieren mit der Faseroberfläche gebracht werden. Die Plasmabehandlung kann einen Ätzeffekt zum Entfernen von Fremdstoffen und einer Wasserschicht von der Faseroberfläche, einen Effekt des Erhöhens der Faseroberflächenspannung, einen Effekt des Erhöhens der Benetzbarkeit, der Hydrophilität und der Adhäsion durch Erhöhen der Aktivität der Faseroberfläche, und einen Effekt des Erhöhens der wasserabweisenden Wirkung und der Wasserdurchlässigkeit durch Hydrophobieren der Faseroberfläche haben.
Durch die Plasma-Oberflächenbehandlung in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Grenzflächenadhäsion zwischen der thermoplastisches-Harz-Matrix und der Basaltfaserverstärkung wirkungsvoll maximiert werden. Die Prozessfaktoren für die Plasma-Oberflächenbehandlung können (1) ein Prozessgas, (2) ein Monomer, (3) eine Durchflussrate, (4) eine aufgebrachte Plasmaleistung und (5) eine Behandlungszeit umfassen.
Die Plasma-Oberflächenbehandlungswirkung hängt stark von der Plasma-Intensität und der Behandlungszeit ab. Da die Basaltfaser verwendet wird, wird die Plasma-Intensität auf den Bereich von etwa 10 W bis etwa 600 W, vorzugsweise etwa 50 W bis etwa 200 W und noch bevorzugter etwa 100 W bis etwa 180 W gesetzt. Die Plasma-Behandlungszeit wird auf den Bereich von etwa 1 sec bis etwa 600 sec, vorzugsweise etwa 30 sec bis etwa 120 sec und noch bevorzugter etwa 30 sec bis etwa 90 sec gesetzt.
Um die Grenzflächenadhäsion zwischen der Basaltfaser und der thermoplastisches-Harz-Matrix durch Plasma-Oberflächenbehandlung weiter zu maximieren, kann ferner das Auswählen des Prozessgases und des Monomers als wichtig erachtet werden. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird Sauerstoffgas (O₂) als Plasma-Prozessgas verwendet und wird die wie oben definierte Silanverbindung als Monomer verwendet. Das Sauerstoffgas kann mit einer Durchflussrate von etwa 10 sccm bis etwa 300 sccm, vorzugsweise etwa 25 sccm bis etwa 75 sccm und noch bevorzugter etwa 25 sccm bis etwa 50 sccm zugeführt werden.
Nach Bedarf kann das Sauerstoffgas (O₂) zusammen mit einem Inertgas zugeführt werden. Das Inertgas kann mindestens eines sein, das aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Stickstoff und Argon ausgewählt ist. Wenn das aktive Sauerstoffgas und das Inertgas zusammen zugeführt werden, kann der Plasmabehandlungseffekt t weiter maximiert werden. Das Inertgas kann mit einer Durchflussrate von etwa 10 sccm bis etwa 300 sccm, vorzugsweise etwa 50 sccm bis etwa 150 sccm und noch bevorzugter etwa 80 sccm bis etwa 120 sccm zugeführt werden.
Nach Bedarf kann ein fluorhaltiges Molekulargas zugeführt werden. Das fluorhaltige Molekulargas kann mindestens eines aufweisen, das aus der Gruppe bestehend aus Tetrafluormethan (CF₄), Trifluormethan (CHF₃), Dichlordifluormethan (CF₂Cl₂), Chlortrifluormethan (CF₃Cl), Hexafluorethan (C₂F₆), Pentafluorethan (CF₃CHF₂), 1,1,1,2-Tetrafluorethan (CF₃CFH₂), Octafluorpropan (C₃F₈), 1,1,1,2,3,3,3-Heptafluorpropan (CF₃CHFCF₃), 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (CF₃CH₂CHF₂), 1,1,1,3,3-Pentafluorbutan (CF₃CH₂CF₂CH₃), Stickstofftrifluorid (NF₃) und Schwefelhexafluorid (SF₆) ausgewählt ist. Das fluorhaltige Molekulargas kann mit einer Durchflussrate von etwa 10 sccm bis etwa 300 sccm, vorzugsweise etwa 50 sccm bis etwa 150 sccm und noch bevorzugter etwa 80 sccm bis etwa 120 sccm zugeführt werden.
Durch die Plasma-Oberflächenbehandlung wird die Silanverbindung einer gasförmigen Pfropfpolymerisierung oder Polymerabscheidung auf der Oberfläche der Basaltfaser unterzogen und ist dadurch als Verstärkung des Verbundmaterial enthalten, wodurch letztlich die Grenzflächenadhäsion an dem thermoplastischen Harz erhöht wird.
Der Plasmabehandlungsvorgang ist vorteilhaft, da er aufgrund der Eigenschaften von Plasma durch einen Ein-Schritt-Vorgang innerhalb einer kurzen Zeit ohne Vorbehandlung / Nachbehandlung durchgeführt wird, und auch weil die Verstärkung, die eine gleichmäßige Oberfläche und eine bestimmte Qualität hat, ohne Ändern der inhärenten Eigenschaften der Basaltfaser zugeführt werden kann, solange für die Basaltfaser optimale Plasmabehandlungsbedingungen bereitgestellt werden.
1 zeigt die XPS-Ergebnisse für die Bildung der polaren funktionellen Gruppe auf der Oberfläche der Basaltfaser durch Unterziehen der Basaltfaser einer Oberflächenbehandlung mit der Silanverbindung und anschließend einer zusätzlichen Plasma-Oberflächenbehandlung. Wie in 1 gezeigt, bildet sich auf der Oberfläche der Basaltfaser durch die Plasmabehandlung ein Radikal mit hoher aktiver Energie, wobei dieses mit Sauerstoff in der Luft reagieren kann, wodurch eine Hydroxylgruppe (-OH), eine Carboxylgruppe (-COOH) oder eine Carbonylgruppe (C=O) erzeugt wird.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines basaltfaserverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials, wobei das Verfahren das Komplexieren einer thermoplastisches-Harz-Matrix und einer oberflächenbehandelten Basaltfaserverstärkung umfasst.
Das Verfahren zum Herstellen des Verbundmaterials gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann umfassen:

1-A) Imprägnieren einer Basaltfaser mit einer Tauchlösung, die eine mit einer Alkoxygruppe substituierte Silanverbindung enthält, so dass die Basaltfaser mit der Silanverbindung oberflächenbehandelt wird, und
2) Komplexieren der oberflächenbehandelten Basaltfaser mit einem thermoplastischen Harz.

Darüber hinaus kann das Verfahren zum Herstellen des Verbundmaterials gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen:

1-A) Imprägnieren einer Basaltfaser mit einer Tauchlösung, die eine mit einer Alkoxygruppe substituierte Silanverbindung enthält, so dass die Basaltfaser mit der Silanverbindung oberflächenbehandelt wird,
1-B) Unterziehen der mit der Silanverbindung oberflächenbehandelten Basaltfaser einer Plasma-Oberflächenbehandlung unter Bedingungen, in denen Sauerstoffgas (O₂) zugeführt wird, und
2) Komplexieren der oberflächenbehandelten Basaltfaser mit einem thermoplastischen Harz.

Das Verfahren zum Herstellen des Verbundmaterials gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist nachfolgend schrittweise im Einzelnen beschrieben.
Oberflächenbehandlung der Basaltfaser mit einer Silanverbindung
Die Silanverbindungsbehandlung auf der Oberfläche der Basaltfaser kann durch einen Lösungs-Tauchvorgang durchgeführt werden.
Insbesondere wird die Silanverbindung mit einer Konzentration von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 0,5 Gew.-% (z.B. etwa 0,1 Gew.-%, etwa 0,2 Gew.-%, etwa 0,3 Gew.-%, etwa 0,4 Gew.-% oder etwa 0,5 Gew.-%) in einem Lösungsmittel verdünnt und hydrolisiert, um eine Tauchlösung zu ergeben. Das Lösungsmittel kann Wasser, ein aliphatischer Alkohol oder ein Lösungsmittelgemisch davon sein. Das Lösungsmittel ist vorzugsweise ein Lösungsmittelgemisch aus aliphatischem Alkohol und Wasser, und das Gewichtsverhältnis von aliphatischem Alkohol und Wasser, die miteinander vermischt werden, kann von 70 bis 99 : 1 bis 30, zum Beispiel, jedoch nicht darauf beschränkt, 70:1, 99:1, 70:30, 99:30, 75:10, 80:20 und dergleichen sein. Hier kann der aliphatische Alkohol ein C₁- bis C₅-Alkohol einschließlich Methanol, Ethanol, Propanol und Butanol sein.
Die auf diese Weise hergestellte Tauchlösung wird verwendet, um die Basaltfaser ausreichend zu imprägnieren. Nach Beendigung des Imprägnierens wird die Basaltfaser aus der Tauchlösung herausgenommen und dann sorgfältig getrocknet. Das Imprägnieren erfolgt bei etwa 20 °C bis etwa 30 °C für etwa 1 bis etwa 5 Stunden. Das Trocknen erfolgt bei etwa 100 °C bis etwa 150 °C für etwa 10 Minuten bis etwa 2 Stunden.
Plasmabehandlung der mit der Silanverbindung oberflächenbehandelten Basaltfaser
Die Plasmabehandlung wird durchgeführt, um die auf die Oberfläche der Basaltfaser imprägnierte Silanverbindung einer gasförmigen PfropfPolymerisierung oder Polymerabscheidung zu unterziehen. Eine solche Plasmabehandlung kann mittels einer durchgehende-Raumtemperaturatmosphärischer-Druck-Plasmavorrichtung durchgeführt werden.
Insbesondere wird die Basaltfaser, die oberflächenbehandelt werden soll, in einer Kammer platziert, und wird Sauerstoffgas, welches als aktives Gas dient, mit einer vorbestimmten Plasmaleistung zugeführt, oder können alternativ Sauerstoffgas (O₂) und ein Inertgas und/oder ein fluorhaltiges molekulares Gas zugeführt werden.
Hier kann die Plasma-Oberflächenbehandlung mit einer Sauerstoffgas-(O₂) Durchflussrate von etwa 10 sccm bis etwa 300 sccm (z.B. etwa 10 sccm, etwa 25 sccm, etwa 50 sccm, etwa 75 sccm, etwa 100 sccm, etwa 110 sccm, etwa 125 sccm, etwa 150 sccm, etwa 175 sccm, etwa 200 sccm, etwa 210 sccm, etwa 225 sccm, etwa 250 sccm, etwa 275 sccm oder etwa 300 sccm), einer Inertgas- und/oder fluorhaltiges-Molekulargas-Durchflussrate von etwa 10 sccm bis etwa 300 sccm (z.B. etwa 10 sccm, etwa 25 sccm, etwa 50 sccm, etwa 75 sccm, etwa 100 sccm, etwa 110 sccm, etwa 125 sccm, etwa 150 sccm, etwa 175 sccm, etwa 200 sccm, etwa 210 sccm, etwa 225 sccm, etwa 250 sccm, etwa 275 sccm oder etwa 300 sccm), einer Plasma-Intensität von etwa 10 W bis etwa 600 W (zum Beispiel etwa 10 W, etwa 50 W, etwa 100 W, etwa 125 W, etwa 150 W, etwa 175 W, etwa 200 W, etwa 225 W, etwa 250 W, etwa 275 W, etwa 300 W, etwa 325 W, etwa 350 W, etwa 375 W, etwa 400 W, etwa 425 W, etwa 450 W, etwa 475 W, etwa 500 W, etwa 525 W, etwa 550 W, etwa 575 W oder etwa 600 W) und einer Plasmabehandlungszeit von etwa 1 sec bis etwa 600 sec (zum Beispiel etwa 1 sec, etwa 10 sec, etwa 60 sec, etwa 100 sec, etwa 120 sec, etwa 180 sec, etwa 240 sec, etwa 300 sec, etwa 360 sec, etwa 420 sec, etwa 480 sec, etwa 540 sec oder etwa 600 sec) durchgeführt werden.
Komplexieren
Die oberflächenbehandelte Basaltfaser, die als Verstärkung dient, und das thermoplastische Harz, welches als Matrix dient, werden durch einen Schmelz-Misch-Prozess komplexiert, wodurch ein Verbundmaterial erhalten wird. Der Komplexiervorgang kann mittels eines Mischers (Haake-Innenmischer) und eines Doppelschneckenextruders durchgeführt werden, und die Rührgeschwindigkeit des Mischers und der Extrusionsdruck des Extruders können innerhalb während des Komplexiervorgangs auf typische Bereiche eingestellt sein.
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ist durch die folgenden Beispiele möglich, die als Erläuterung dienen sollen, jedoch nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend zu betrachten sind.
Beispiele
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern und diese nicht einschränken.
Versuchsbeispiel 1: Evaluierung der Eigenschaften von Verbundmaterial in Abhängigkeit von der Faserverstärkungsmenge
Im Versuchsbeispiel 1, in welchem Verbundmaterialien erhalten werden, indem einem Nylon 66 thermoplastischen Harz eine Verstärkung hinzugefügt wird, werden die Eigenschaften der Verbundmaterialien in Abhängigkeit von der Art und der Menge der Faserverstärkung evaluiert.
Nylon 66 und die Verstärkung wurden in den Mengen hergestellt, die in der folgenden Tabelle 2 gezeigt sind. Anschließend wurde mittels eines Haake-Innenmischers und eines Doppelschneckenextruders ein Schmelz-Misch-Prozess durchgeführt, um einzelne Verbundmaterialien zu erhalten, die anschließend warmgepresst wurden, wodurch Prüfmuster hergestellt wurden.
Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt die Zusammensetzungen der Verbundmaterialien und die Eigenschaften der Prüfmuster.
[Messung von Eigenschaften eines Prüfmusters]

(1) relative Dichte: Messung durch ASTM D792
(2) Biegefestigkeit: Messung durch ASTM D638
(3) Biegemodul: Messung durch ASTM D790
(4) Izod-Schlagzähigkeit (23°C): Messung durch ASTM D256

Klassifizierung			Referenzbeispiel
Klassifizierung			1	2	3	4	5	6
Verbundmaterial (Gew.-%)	thermoplastisches Harz	Nylon 66	80	90	80	70	60	50
	Verstärkung	Glasfaser	20	0	0	0	0	0
	Verstärkung	Basaltfaser	0	10	20	30	40	50
Eigenschaften	Relative Dichte		1,245	1,232	1,253	1,345	1,465	1,572
	Zugfestigkeit (MPa)		92,3	89,7	102,1	138,4	178,6	203,2
	Biegefestigkeit (MPa)		124,5	119,3	127,9	173,7	202,3	243,8
	Biegemodul (GPa)		3,2	3,2	3,4	4,8	7,1	8,5
	Schlagzähigkeit (KJ/m²)		3,5	3,5	3,8	5,8	7,5	10,0

Die Referenzbeispiele 1 und 3 zeigen die Eigenschaften der Verbundmaterialien, bei denen dem Nylon 66 thermoplastischen Harz 20 Gew.-% von jeder von einer Glasfaserverstärkung und einer Basaltfaserverstärkung hinzugefügt wurden. In den Referenzbeispielen 1 und 3 verbesserten sich die Eigenschaften des basaltfaserverstärkten Verbundmaterials (Referenzbeispiel 3) um etwa 10 % im Vergleich zu denen des glasfaserverstärkten Verbundmaterials (Referenzbeispiel 1), wobei dieselbe Verstärkungsmenge verwendet wurde.
Die Referenzbeispiele 2 bis 6 zeigen die Eigenschaften der Verbundmaterialien, bei denen dem Nylon 66 thermoplastischen Harz die Basaltfaserverstärkung im Mengenbereich von 10 bis 50 Gew.-% hinzugefügt wurde. Da in den Referenzbeispielen 2 bis 6 die Basaltfasermenge erhöht war, verbesserten sich die Eigenschaften des Verbundmaterials. Die Eigenschaften des Verbundmaterials, welches die Basaltfaser in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% umfasste, waren schlechter, und auf der anderen Seite war die Verbesserung der Eigenschaften desselben nicht signifikant, wenn die Basaltfaser in einer Menge von 50 Gew.-% hinzugefügt wurde. Basierend auf den Ergebnissen der Referenzbeispiele 2 bis 6 wird die Basaltfaser als Verstärkung im thermoplastischen Harz in einer Menge von 10 bis 50 Gew.-% hinzugefügt und fällt die Menge der Basaltfaser unter Berücksichtigung der relativen Dichte und der Eigenschaften vorzugsweise in den Bereich von 20 bis 40 Gew.-%.
Versuchsbeispiel 2: Evaluierung der Oberflächenbehandlungseffekte unter Verwendung der Silanverbindung
Im Versuchsbeispiel 2, in welchem Verbundmaterialien derart konfiguriert sind, dass sie ein Nylon 66 thermoplastisches Harz und eine Basaltfaserverstärkung umfassen, werden die Oberflächenbehandlungseffekte in Abhängigkeit von der Art und der Menge der Silanverbindung evaluiert, die für die Oberflächenbehandlung der Verstärkung verwendet wird.
Die Oberflächenbehandlung der Basaltfaser erfolgte mittels eines Tauchvorgangs. Die Silanverbindung wurde mit einer Konzentration von 0,2 Gew.-%in einem Lösungsmittelgemisch aus Ethanol und entionisierten Wasser mit einem Gewichtsverhältnis von 95:5 verdünnt, gefolgt von einem Rühren für 30 Minuten und Hydrolyse, wodurch eine Tauchlösung hergestellt wurde. Die Basaltfaser wurde mit der Tauchlösung für 2 Stunden imprägniert, aus der Lösung entnommen, bei 120 °C für 30 Minuten in einem Ofen getrocknet und bei Raumtemperatur vollständig getrocknet.
Prüfmuster wurden auf dieselbe Weise wie im Versuchsbeispiel 1 hergestellt, und die Eigenschaften davon wurden gemessen. Die folgende Tabelle 3 zeigt die Zusammensetzungen der Verbundmaterialien und die Eigenschaften der Prüfmuster.
[Silanverbindung]

(1) Aminbasiertes Silan: N-2-Aminoetyhl-3-aminopropyltrimethoxysilan
(2) Epoxidbasiertes Silan: 3-Glycidoxypropylentrimethoxysilan
(3) Ureidobasiertes Silan: 3-ureidopropyltrialkoxysilan

Klassifizierung		Referenzbeispiel 3	Beispiel
Klassifizierung		Referenzbeispiel 3	1	2	3	4	5	6	7	8
Verbundmaterial (Gew.-%)	Nylon 66	80	78	78	78	79.9	79.5	79	75	70
	Basaltfaser	20	20	20	20	20	20	20	20	20
	Aminbasiertes Silan	0	2	0	0	0.1	0.5	1	5	10
	Epoxid basiertes Silan	0	0	2	0	0	0	0	0	0
	Ureidobasiertes Silan	0	0	0	2	0	0	0	0	0
Eigenschaften	Relative Dichte	1,253	1,251	1,253	1,252	1,254	1,253	1,256	1,254	1,254
	Zugfestigkeit (MPa)	102,1	110,1	108,3	106,8	106,1	108,7	110,3	109,2	107,8
	Biegefestigkeit (MPa)	127,9	138,6	136,5	136,2	134,5	138,4	140,8	138,7	137,8
	Biegemodul (GPa)	3,4	3,6	3,5	3,5	3,5	3,6	3,7	3,6	3,5
	Schlagzähigkeit (KJ/m²)	3,8	4,0	4,0	4,0	3,8	4,0	4,0	3,9	3,8

Im Referenzbeispiel 3 und den Beispielen 1 bis 3 waren die Eigenschaften der Verbundmaterialien deutlich verbessert, wenn die Basaltfaser mit der Silanverbindung oberflächenbehandelt wurde. Darüber hinaus war der Effekt der Verbesserung der Eigenschaften des Verbundmaterials in den Beispielen 1 bis 3 am größten, wenn das aminbasierte Silan als Silanverbindung verwendet wurde.
2 zeigt die REM-Bilder der Ergebnisse der Grenzflächenadhäsion zwischen dem Nylon 66 Harz und der Basaltfaser. Bei dem Verbundmaterial, das die Basaltfaser umfasste, die nicht mit der Silanverbindung oberflächenbehandelt wurde (Referenzbeispiel 3), kam es zu einem Faser-Auszug, wohingegen die Verbundmaterialien der Beispiel 1 bis 3 derart konfiguriert waren, dass das Nylon 66 Harz wirkungsvoll an der Oberfläche der Basaltfaser angebracht war.
In den Beispielen 4 bis 8 sind die Wirkungen in Abhängigkeit von der Menge der Silanverbindung gezeigt. Wenn die Menge der Silanverbindung weniger als 0,1 Gew-% betrug, war die Verbesserung der Eigenschaften nicht signifikant (Beispiel 4), doch je mehr die Menge der Silanverbindung erhöht wurde, desto mehr verbesserten sich die Eigenschaften des Verbundmaterials. Als die Menge der Silanverbindung jedoch 5 Gew-% betrug, verschlechterten sich die Eigenschaften, und als die Menge davon 10 Gew-% überstieg, verschlechterten sich die Eigenschaften deutlich. Basierend auf den Ergebnissen der Beispiele 4 bis 8 ist die Menge der Silanverbindung auf den Bereich von 0,1 Gew-% bis 10 Gew-% basierend auf dem Gewicht des Verbundmaterials gesetzt. Unter Berücksichtigung sowohl der relativen Dichte als auch der Eigenschaften fällt die Menge der Silanverbindung vorzugsweise in den Bereich von 0,5 bis 5 Gew-%.
Versuchsbeispiel 3: Evaluierung der Oberflächenbehandlungseffekte unter Verwendung von Silanverbindung und Plasma
Im Versuchsbeispiel 3, bei dem Verbundmaterialien derart konfiguriert sind, dass sie ein Nylon 66 thermoplastisches Harz und eine Basaltfaserverstärkung umfassen, werden die Eigenschaften der Verbundmaterialien evaluiert, wenn die Faserverstärkung nach der Oberflächenbehandlung mit der Silanverbindung, wie in Versuchsbeispiel 2, einer zusätzlichen Plasmabehandlung unterzogen wird.
Die Plasmabehandlung wurde mittels einer kontinuierliche-Raumtemperatur-atmosphärischer-Druck-Plasmavorrichtung durchgeführt. Insbesondere wurde die mit der Silanverbindung oberflächenbehandelte Basaltfaser in einer Kammer platziert und wurden Argongas, welches als Inertgas diente, und Sauerstoffgas, welches als aktives Gas diente, mit vorbestimmten Durchflussraten unter einer bestimmten Plasmaleistung (W) in die Kammer eingespeist, so dass die Faser oberflächenbehandelt wurde.

Prüfmuster wurden auf dieselbe Weise wie im Versuchsbeispiel 1 hergestellt, und die Eigenschaften davon wurden gemessen. Die nachfolgende Tabelle 4 zeigt die Plasmabehandlungsbedingungen und die Eigenschaften der Verbundmaterialmuster. [Tabelle 4]

Klassifizierung		Beispiel
Klassifizierung		6	9	10	11	12	13	14	15	16
Verbundmaterial (Gew.-%)	Nylon 66	79	79	79	79	79	79	79	79	79
	Basaltfaser	20	20	20	20	20	20	20	20	20
	Aminbasiertes Silan	1	1	1	1	1	1	1	1	1
Plasmabehandlung	Ar-Durchflussrate (sccm)	-	-	-	-	-	100	100	100	100
Plasmabehandlung	O₂-Durchflussrate	-	50	50	50	50	50	50	50	50
	(sccm)
	Plasma-Intensität (W)	-	100	100	100	100	100	100	100	100
	Behandlungszeit (sec)	-	30	60	90	120	30	60	90	120
Eigenschaften	Relative Dichte	1,256	1,254	1,255	1,254	1,254	1,253	1,256	1,255	1,254
	Zugfestigkeit (MPa)	110,3	117,4	120,5	118,8	116,0	118,1	122,4	119,4	116,2
	Biegefestigkeit (MPa)	140,8	148,3	151,4	148,4	146,3	149,4	155,3	150,1	147,2
	Biegemodul (GPa)	3,7	3,8	3,9	3,9	3,7	3,8	3,9	3,8	3,7
	Schlagzähigkeit (KJ/m²)	4,0	4,0	4,1	4,1	3,9	4,0	4,1	4,1	4,0

Wie aus der Tabelle 4 ersichtlich, verbesserten sich die Eigenschaften bei den Verbundmaterialien, die die Basaltfaser umfassten, die einer Oberflächenbehandlung mit der Silanverbindung und anschließend einer Plasma-Oberflächenbehandlung unterzogen wurde (Beispiele 9 bis 16) um ein Maximum von 10 % im Vergleich zu dem Verbundmaterial, welches die Basaltfaser umfasste, die mit der Silanverbindung oberflächenbehandelt war (Beispiel 6). Insbesondere verbesserten sich die Eigenschaften, wenn die Plasma-Oberflächenbehandlung zusätzlich durchgeführt wurde, wobei sich jedoch die relative Dichte lediglich etwas änderte oder verschlechterte.
In den Beispielen 9 bis 12 wurde die Plasmabehandlung nur unter der Verwendung von Sauerstoffgas (O₂) ohne jegliches Inertgas durchgeführt. Als die Plasmabehandlungszeit erhöht wurde, kam es zu Änderungen der Eigenschaften. Als die Behandlungszeit etwa 60 Sekunden betrug, waren die Eigenschaften maximal verbessert, und eine Behandlungszeit, die 120 Sekunden überstieg, führte zu einer Verschlechterung der Eigenschaften.
In den Beispielen 13 bis 16 wurde die Plasmabehandlung mittels eines Gasgemischs durchgeführt, welches Argongas als Inertgas und Sauerstoffgas als aktives Gas umfasste. Im Vergleich zu den Verbundmaterialien, bei denen lediglich Sauerstoff (O₂) verwendet wurde (Beispiele 9 bis 12), verbesserten sich die Eigenschaften der Verbundmaterialien, bei denen das Sauerstoff (O₂) und Argon (Ar) umfassende Gasgemisch verwendet wurde, weiter. Als die Plasmabehandlung für etwa 60 Sekunden durchgeführt wurde, verbesserten sich die Eigenschaften selbst unter Bedingungen, in denen das Sauerstoff (O₂) und Argon (Ar) umfassende Gasgemisch zugeführt wurde, wie bei der ausschließlichen Verwendung von Sauerstoff (O₂) maximal, und Behandlungszeiten, die 120 Sekunden überstiegen, führten zu einer Verschlechterung der Eigenschaften.
Versuchsbeispiel 4: Evaluierung der Oberflächenbehandlungseffekte unter Verwendung von Silanverbindung und Plasma
Im Versuchsbeispiel 4, in welchem Verbundmaterialien erhalten werden, indem die Basaltfaserverstärkung einer Oberflächenbehandlung mit der Silanverbindung und anschließend einer zusätzlichen Plasmabehandlung wie in Versuchsbeispiel 3 unterzogen wird, werden die Eigenschaften der Verbundmaterialien in Abhängigkeit von den Plasmabehandlungsbedingungen einschließlich der Sauerstoffgas- (O₂) Durchflussrate oder der Plasma-Intensität evaluiert.

Die nachfolgende Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse der Messung von Eigenschaften von Verbundmaterialmustern in Abhängigkeit von den Plasmabehandlungsbedingungen. [Tabelle 5]

Klassifizierung		Beispiel
Klassifizierung		17	18	19	20	21	22
Verbundmaterial (Gew.-/)	Nylon 66	79	79	79	79	79	79
	Basaltfaser	20	20	20	20	20	20
	Aminbasiertes Silan	1	1	1	1	1	1
Plasmabehandlung	Ar-Durchflussrate (sccm)	100	100	100	100	100	100
	O₂ -Durchflussrate (sccm)	25	75	100	50	50	50
	Plasma-Intensität (W)	100	100	100	50	150	200
	Behandlungszeit (sec)	60	60	60	60	60	60
Eigenschaften	Relative Dichte	1,255	1,254	1,255	1,255	1,254	1,255
	Zugfestigkeit (MPa)	120,5	119,5	115,2	118,6	124,2	119,1
	Biegefestigkeit (MPa)	150,3	148,2	146,2	148,4	155,9	151,2
	Biegemodul (GPa)	3,9	3,8	3,7	3,8	4,0	3,9
	Schlagzähigkeit (KJ/m²)	4,0	4,0	3,8	4,0	4,2	4,1

Aus den Beispielen 17 bis 19 sind die Wirkungen in Abhängigkeit von der Sauerstoffgas- (O₂) Durchflussrate ersichtlich. Je mehr die Sauerstoffgas- (O₂) Durchflussrate erhöht wurde, desto mehr verschlechterten sich die Eigenschaften der Verbundmaterialien. Als die O₂-Durchflussrate 75 sccm oder mehr betrug, verschlechterten sich die Eigenschaften, und als die O₂-Durchflussrate 100 sccm erreichte, kam es zu einer deutlichen Veränderung der Oberflächeneigenschaften der Basaltfaser, wodurch es wiederum zu einer Verschlechterung der Eigenschaften kam.
In den Beispielen 20 bis 22 wurde mit einer Erhöhung der Plasma-Intensität die Oberfläche der Basaltfaser aktiviert, um so die Eigenschaften zu verbessern. Die Eigenschaften des Verbundmaterials verbesserten sich mit einem Anstieg der Plasma-Intensität. Als die Plasma-Intensität jedoch 200 W überstieg, verschlechterten sich die Eigenschaften des Verbundmaterials aufgrund der erhöhten Erzeugung von Oberflächendefekten.
Die vorangehende Beschreibung bestimmter beispielgebender Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde zum Zweck der Erläuterung und Beschreibung dargestellt. Sie soll weder vollständig sein noch die Erfindung auf die genauen offenbarten Formen beschränken, und zahlreiche Modifizierungen und Variationen sind im Lichte der oben beschriebenen Lehren möglich. Die beispielgebenden Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um bestimmte Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erläutern, um es so einem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, verschiedene beispielgebende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowie verschiedene Alternativen und Modifizierungen davon auszuführen. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung durch die hier angehängten Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

KR 100262660 [0008]
KR 101538032 [0009]

Claims

Basaltfaserverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial, welches ein thermoplastisches Harz und eine Basaltfaser als Verstärkung umfasst, wobei die Basaltfaser mit einer mit einer Alkoxygruppe substituierten Silanverbindung oberflächenbehandelt ist.
Basaltfaserverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial nach Anspruch 1, wobei das thermoplastische Harz mindestens ein technischer Kunststoff ist, der aus der Gruppe bestehend aus Polymilchsäure, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polypropylen, Polyethylen, Polystyrol, Polyamid, Polycarbonat, Polyvinylchlorid, chloriertem Polyvinylchlorid, Styrol-Acrylnitril, einem Acryl-Styrol-Acrylnitril-Terpolymer (Acrylnitril-Styrol-Acrylat), Polysulfon, Polyurethan, Polyphenylensulfid, Polyacetal, Polyaramid, Polyimid, Polyester, einem Polyester-Elastomer, Esteracrylat, einem Ethylen-Propylen-Copolymer, einem Styrol-Butadien-Copolymer und einem Vinylacetat-Ethylen-Copolymer ausgewählt ist.
Basaltverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 und 2, das etwa 50 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% thermoplastisches Harz und etwa 10 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% oberflächenbehandelte Basaltfaser umfasst.
Basaltverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Silanverbindung in einer Menge von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht des Verbundmaterials verwendet wird.
Basaltverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Silanverbindung mindestens eine Verbindung ist, die aus durch die folgende chemische Formel 1 dargestellten Verbindungen ausgewählt ist:
wobei in der chemischen Formel 1: X aus einem Halogenatom, einer Mercaptogruppe, -C₁-C₁₀-Alkyl-NR^aR^b, -C₁-C₁₀-Alkyl-NHC(O)NH₂, -C₁-C₁₀-Alkyl-NCO, einer Epoxidgruppe, einer Vinylgruppe, einer Styrylgruppe und -C₁-C₁₀ -Alkyl-S-S-S-S-C₁-C₁₀-Alkyl-Si (R₁R₂R₃) ausgewählt ist, R₁, R₂ und R₃ gleich oder unterschiedlich sein können und aus einer Hydroxylgruppe, einer C₁-C₁₀-Alkylgruppe, einer Acryloxy-C₁-C₁₀-Alkylgruppe, einer Methacryloxy-C₁-C₁₀-Alkylgruppe und einer C₁-C₁₀-Alkoxygruppe ausgewählt sind, wobei mindestens eines von R₁, R₂ und R₂ eine Alkoxygruppe ist, und R^a und R^b gleich oder unterschiedlich sein können und aus einem Wasserstoffatom, einer C₁-C₁₀-Alkylgruppe, C₂-C₁₀-Alkenyl und einer Phenylgruppe ausgewählt sind.
Basaltverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Silanverbindung mindestens eine aus der aus einem vinylbasierten Silan, einem epoxidbasierten Silan, einem styrolbasierten Silan, einem methacrylbasierten Silan, einem acrylbasierten Silan, einem aminbasierten Silan, einem isocyanursäurebasierten Silan, einem ureidobasierten Silan, einem mercaptobasierten Silan, einem sulfidbasierten Silan und einem isocyanatbasierten Silan bestehenden Gruppe ausgewählt ist, wobei das vinylbasierte Silan Vinyltrimethoxysilan oder Vinyltriethoxysilan ist, das epoxidbasierte Silan 2-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropylmethyldimethoxysilan, 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropylmethyldiethoxysilan oder 3-Glycidoxypropyltriethoxysilan ist, das styrolbasierte Silan p-Styryltrimethoxysilan ist, das methacrylbasierte Silan 3-Methacryloxypropylmethyldimethoxysilan, 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, 3-Methacryloxypropylmethyldiethoxysilan oder 3-Methacryloxypropyltriethoxysilan ist, das acrylbasierte Silan 3-Acryloxypropyltrimethoxysilan ist, das aminbasierte Silan N-2-(Aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilan, N-2-(Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyltriethoxysilan, N-Phenyl-3-aminopropyltriethoxysilan, 3-Triethoxysilyl-N-(1,3-dimethyl-butyliden)propylamin oder N-(Vinylbenzyl)-2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilanhydrochlorid ist, das isocyanursäurebasierte Silan Tris(trimethoxysilylpropyl)isocyanurat ist, das ureidobasierte Silan 3-Ureidopropyltrimethoxysilan ist, das mercaptobasierte Silan 3-Mercaptopropylmethyldimethoxysilan oder 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan ist, das sulfidbasierte Silan Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfid ist und das isocyanatbasierte Silan 3-Isocyanatopropyltriethoxysilan ist.
Ein basaltverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial, welches ein thermoplastisches Harz und eine Basaltfaser als Verstärkung umfasst, wobei die Basaltfaser mit einer mit einer Alkoxygruppe substituierten Silanverbindung und ferner unter Bedingungen, in denen Sauerstoffgas (O₂) zugeführt wird, mit Plasma oberflächenbehandelt ist.
Basaltverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial nach Anspruch 7, wobei das thermoplastische Harz mindestens ein technischer Kunststoff ist, der aus der Gruppe bestehend aus Polymilchsäure, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polypropylen, Polyethylen, Polystyrol, Polyamid, Polycarbonat, Polyvinylchlorid, chloriertem Polyvinylchlorid, Styrol-Acrylnitril, einem Acryl-Styrol-Acrylnitril-Terpolymer (Acrylnitril-Styrol-Acrylat), Polysulfon, Polyurethan, Polyphenylensulfid, Polyacetal, Polyaramid, Polyimid, Polyester, einem Polyester-Elastomer, Esteracrylat, einem Ethylen-Propylen-Copolymer, einem Styrol-Butadien-Copolymer und einem Vinylacetat-Ethylen-Copolymer ausgewählt ist.
Basaltverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 7 und 8, das etwa 50 Gew.-% oder etwa 90 Gew.-% des thermoplastischen Harzes und etwa 10 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% der oberflächenbehandelten Basaltfaser umfasst.
Basaltverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Silanverbindung in einer Menge von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht des Verbundmaterials verwendet wird.
Basaltverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Silanverbindung mindestens eine Verbindung ist, die aus durch die folgende chemische Formel 1 dargestellten Verbindungen ausgewählt ist:
wobei in der chemischen Formel 1: X aus einem Halogenatom, einer Mercaptogruppe, -C₁-C₁₀-Alkyl-NR^aR^b, -C₁-C₁₀-Alkyl-NHC(O)NH₂, -C₁-C₁₀-Alkyl-NCO, einer Epoxidgruppe, einer Vinylgruppe, einer Styrylgruppe und -C₁-C₁₀-Alkyl-S-S-S-S-C₁-C₁₀-Alkyl-Si (R₁R₂R₃) ausgewählt ist, R₁, R₂ und R₃ gleich oder unterschiedlich sein können und aus einer Hydroxylgruppe, einer C₁-C₁₀-Alkylgruppe, einer Acryloxy-C₁-C₁₀-Alkylgruppe, einer Methacryloxy-C₁-C₁₀-Alkylgruppe und einer C₁-C₁₀-Alkoxygruppe ausgewählt sind, wobei mindestens eines von R₁, R₂ und R₂ eine Alkoxygruppe ist, und R^a und R^b gleich oder unterschiedlich sein können und aus einem Wasserstoffatom, einer C₁-C₁₀-Alkylgruppe, C₂-C₁₀-Alkenyl und einer Phenylgruppe ausgewählt sind.
Basaltverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Silanverbindung mindestens eine aus der aus einem vinylbasierten Silan, einem epoxidbasierten Silan, einem styrolbasierten Silan, einem methacrylbasierten Silan, einem acrylbasierten Silan, einem aminbasierten Silan, einem isocyanursäurebasierten Silan, einem ureidobasierten Silan, einem mercaptobasierten Silan, einem sulfidbasierten Silan und einem isocyanatbasierten Silan bestehenden Gruppe ausgewählt ist, wobei das vinylbasierte Silan Vinyltrimethoxysilan oder Vinyltriethoxysilan ist, das epoxidbasierte Silan 2-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropylmethyldimethoxysilan, 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropylmethyldiethoxysilan oder 3-Glycidoxypropyltriethoxysilan ist, das styrolbasierte Silan p-Styryltrimethoxysilan ist, das methacrylbasierte Silan 3-Methacryloxypropylmethyldimethoxysilan, 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, 3-Methacryloxypropylmethyldiethoxysilan oder 3-Methacryloxypropyltriethoxysilan ist, das acrylbasierte Silan 3-Acryloxypropyltrimethoxysilan ist, das aminbasierte Silan N-2-(Aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilan, N-2-(Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyltriethoxysilan, N-Phenyl-3-aminopropyltriethoxysilan, 3-Triethoxysilyl-N-(1,3-dimethyl-butyliden)propylamin oder N-(Vinylbenzyl)-2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilanhydrochlorid ist, das isocyanursäurebasierte Silan Tris(trimethoxysilylpropyl)isocyanurat ist, das ureidobasierte Silan 3-Ureidopropyltrimethoxysilan ist, das mercaptobasierte Silan 3-Mercaptopropylmethyldimethoxysilan oder 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan ist, das sulfidbasierte Silan Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfid ist und das isocyanatbasierte Silan 3-Isocyanatopropyltriethoxysilan ist.
Basaltfaserverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die Basaltfaser unter Bedingungen, in denen aktives Sauerstoffgas und mindestens ein Inertgas, das aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Stickstoff und Argon ausgewählt ist, zugeführt werden, mit Plasma oberflächenbehandelt ist.
Basaltverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial nach Anspruch 13, wobei die Basaltfaser unter Bedingungen, in denen ferner ein fluorhaltiges molekulares Gas zugeführt wird, mit Plasma oberflächenbehandelt ist.
Basaltverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial nach Anspruch 13, wobei die Basaltfaser mit einer Sauerstoffgas-(O₂) - Durchflussrate von 10 sccm bis 300 sccm, einer Inertgas-Durchflussrate von 10 sccm bis 300 sccm, einer Plasma-Intensität von 10 W bis 600 W und einer Behandlungszeit von 1 sec bis 600 sec mit Plasma oberflächenbehandelt ist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines basaltverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials, umfassend: 1) Imprägnieren einer Basaltfaser mit einer Tauchlösung, die eine mit einer Alkoxygruppe substituierte Silanverbindung enthält, so dass die Basaltfaser mit der Silanverbindung oberflächenbehandelt ist, und 2) Komplexieren der oberflächenbehandelten Basaltfaser mit einem thermoplastischen Harz.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das thermoplastische Harz mindestens ein technischer Kunststoff ist, der aus der Gruppe bestehend aus Polymilchsäure, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polypropylen, Polyethylen, Polystyrol, Polyamid, Polycarbonat, Polyvinylchlorid, chloriertem Polyvinylchlorid, Styrol-Acrylnitril, einem Acryl-Styrol-Acrylnitril-Terpolymer (Acrylnitril-Styrol-Acrylat), Polysulfon, Polyurethan, Polyphenylensulfid, Polyacetal, Polyaramid, Polyimid, Polyester, einem Polyester-Elastomer, Esteracrylat, einem Ethylen-Propylen-Copolymer, einem Styrol-Butadien-Copolymer und einem Vinylacetat-Ethylen-Copolymer ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 und 17, wobei etwa 50 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% des thermoplastischen Harzes und etwa 10 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% der oberflächenbehandelten Basaltfaser komplexiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Silanverbindung in einer Menge von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht des Verbundmaterials verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Silanverbindung mindestens eine Verbindung ist, die aus durch die folgende chemische Formel 1 dargestellten Verbindungen ausgewählt wird:
wobei in der chemischen Formel 1: X aus einem Halogenatom, einer Mercaptogruppe, -C₁-C₁₀-Alkyl-NR^aR^b, -C₁-C₁₀-Alkyl-NHC(O)NH₂, -C₁-C₁₀-Alkyl-NCO, einer Epoxidgruppe, einer Vinylgruppe, einer Styrylgruppe und -C₁-C₁₀ -Alkyl-S-S-S-S-C₁-C₁₀-Alkyl-Si (R₁R₂R₃) ausgewählt wird, R₁, R₂ und R₃ gleich oder unterschiedlich sein können und aus einer Hydroxylgruppe, einer C₁-C₁₀-Alkylgruppe, einer Acryloxy-C₁-C₁₀-Alkylgruppe, einer Methacryloxy-C₁-C₁₀-Alkylgruppe und einer C₁-C₁₀-Alkoxygruppe ausgewählt werden, wobei mindestens eines von R₁, R₂ und R₂ eine Alkoxygruppe ist, und R^a und R^b gleich oder unterschiedlich sein können und aus einem Wasserstoffatom, einer C₁-C₁₀-Alkylgruppe, C₂-C₁₀-Alkenyl und einer Phenylgruppe ausgewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei die Silanverbindung mindestens eine aus der aus einem vinylbasierten Silan, einem epoxidbasierten Silan, einem styrolbasierten Silan, einem methacrylbasierten Silan, einem acrylbasierten Silan, einem aminbasierten Silan, einem isocyanursäurebasierten Silan, einem ureidobasierten Silan, einem mercaptobasierten Silan, einem sulfidbasierten Silan und einem isocyanatbasierten Silan bestehenden Gruppe ausgewählt wird, wobei das vinylbasierte Silan Vinyltrimethoxysilan oder Vinyltriethoxysilan ist, das epoxidbasierte Silan 2-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropylmethyldimethoxysilan, 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropylmethyldiethoxysilan oder 3-Glycidoxypropyltriethoxysilan ist, das styrolbasierte Silan p-Styryltrimethoxysilan ist, das methacrylbasierte Silan 3-Methacryloxypropylmethyldimethoxysilan, 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, 3-Methacryloxypropylmethyldiethoxysilan oder 3-Methacryloxypropyltriethoxysilan ist, das acrylbasierte Silan 3-Acryloxypropyltrimethoxysilan ist, das aminbasierte Silan N-2-(Aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilan, N-2-(Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyltriethoxysilan, N-Phenyl-3-aminopropyltriethoxysilan, 3-Triethoxysilyl-N-(1,3-dimethyl-butyliden)propylamin oder N-(Vinylbenzyl)-2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilanhydrochlorid ist, das isocyanursäurebasierte Silan Tris(trimethoxysilylpropyl)isocyanurat ist, das ureidobasierte Silan 3-Ureidopropyltrimethoxysilan ist, das mercaptobasierte Silan 3-Mercaptopropylmethyldimethoxysilan oder 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan ist, das sulfidbasierte Silan Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfid ist und das isocyanatbasierte Silan 3-Isocyanatopropyltriethoxysilan ist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines basaltfaserverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials, umfassend: 1-A) Imprägnieren einer Basaltfaser mit einer Tauchlösung, die eine mit einer Alkoxygruppe substituierte Silanverbindung enthält, so dass die Basaltfaser mit der Silanverbindung oberflächenbehandelt wird, 1-B) Unterziehen der mit der Silanverbindung oberflächenbehandelten Basaltfaser einer Plasma-Oberflächenbehandlung unter Bedingungen, in denen Sauerstoffgas (O₂) zugeführt wird, und 2) Komplexieren der oberflächenbehandelten Basaltfaser mit einem thermoplastischen Harz.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das thermoplastische Harz mindestens ein technischer Kunststoff ist, der aus der Gruppe bestehend aus Polymilchsäure, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polypropylen, Polyethylen, Polystyrol, Polyamid, Polycarbonat, Polyvinylchlorid, chloriertem Polyvinylchlorid, Styrol-Acrylnitril, einem Acryl-Styrol-Acrylnitril-Terpolymer (Acrylnitril-Styrol-Acrylat), Polysulfon, Polyurethan, Polyphenylensulfid, Polyacetal, Polyaramid, Polyimid, Polyester, einem Polyester-Elastomer, Esteracrylat, einem Ethylen-Propylen-Copolymer, einem Styrol-Butadien-Copolymer und einem Vinylacetat-Ethylen-Copolymer ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei etwa 50 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% des thermoplastischen Harzes und etwa 10 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% der oberflächenbehandelten Basaltfaser komplexiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei die Silanverbindung in einer Menge von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht des Verbundmaterials verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei die Silanverbindung mindestens eine Verbindung ist, die aus durch die folgende chemische Formel 1 dargestellten Verbindungen ausgewählt wird:
wobei in der chemischen Formel 1: X aus einem Halogenatom, einer Mercaptogruppe, -C₁-C₁₀-Alkyl-NR^aR^b, -C₁-C₁₀-Alkyl-NHC(O)NH₂, -C₁-C₁₀-Alkyl-NCO, einer Epoxidgruppe, einer Vinylgruppe, einer Styrylgruppe und -C₁-C₁₀ -Alkyl-S-S-S-S-C₁-C₁₀-Alkyl-Si (R₁R₂R₃) ausgewählt wird, R₁, R₂ und R₃ gleich oder unterschiedlich sein können und aus einer Hydroxylgruppe, einer C₁-C₁₀-Alkylgruppe, einer Acryloxy-C₁-C₁₀-Alkylgruppe, einer Methacryloxy-C₁-C₁₀-Alkylgruppe und einer C₁-C₁₀-Alkoxygruppe ausgewählt werden, wobei mindestens eines von R₁, R₂ und R₂ eine Alkoxygruppe ist, und R^a und R^b gleich oder unterschiedlich sein können und aus einem Wasserstoffatom, einer C₁-C₁₀-Alkylgruppe, C₂-C₁₀-Alkenyl und einer Phenylgruppe ausgewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, wobei die Silanverbindung mindestens eine aus der aus einem vinylbasierten Silan, einem epoxidbasierten Silan, einem styrolbasierten Silan, einem methacrylbasierten Silan, einem acrylbasierten Silan, einem aminbasierten Silan, einem isocyanursäurebasierten Silan, einem ureidobasierten Silan, einem mercaptobasierten Silan, einem sulfidbasierten Silan und einem isocyanatbasierten Silan bestehenden Gruppe ausgewählt wird, wobei das vinylbasierte Silan Vinyltrimethoxysilan oder Vinyltriethoxysilan ist, das epoxidbasierte Silan 2-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropylmethyldimethoxysilan, 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropylmethyldiethoxysilan oder 3-Glycidoxypropyltriethoxysilan ist, das styrolbasierte Silan p-Styryltrimethoxysilan ist, das methacrylbasierte Silan 3-Methacryloxypropylmethyldimethoxysilan, 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, 3-Methacryloxypropylmethyldiethoxysilan oder 3-Methacryloxypropyltriethoxysilan ist, das acrylbasierte Silan 3-Acryloxypropyltrimethoxysilan ist, das aminbasierte Silan N-2-(Aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilan, N-2-(Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyltriethoxysilan, N-Phenyl-3-aminopropyltriethoxysilan, 3-Triethoxysilyl-N-(1,3-dimethyl-butyliden)propylamin oder N-(Vinylbenzyl)-2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilanhydrochlorid ist, das isocyanursäurebasierte Silan Tris(trimethoxysilylpropyl)isocyanurat ist, das ureidobasierte Silan 3-Ureidopropyltrimethoxysilan ist, das mercaptobasierte Silan 3-Mercaptopropylmethyldimethoxysilan oder 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan ist, das sulfidbasierte Silan Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfid ist und das isocyanatbasierte Silan 3-Isocyanatopropyltriethoxysilan ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, wobei die Plasma-Oberflächenbehandlung unter Bedingungen erfolgt, in denen aktives Sauerstoffgas und mindestens ein Inertgas, das aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Stickstoff und Argon ausgewählt wird, zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei bei der Plasma-Oberflächenbehandlung ferner ein fluorhaltiges molekulares Gas zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Plasma-Oberflächenbehandlung mit einer Sauerstoffgas-(O₂) -Durchflussrate von etwa 10 sccm bis etwa 300 sccm, einer Inertgas-Durchflussrate von etwa 10 sccm bis etwa 300 sccm, einer Plasma-Intensität von etwa 10 W bis etwa 600 W und einer Behandlungszeit von etwa 1 sec bis etwa 600 sec durchgeführt wird.