TWI795202B - 具高強度及耐腐蝕複合材料及其工業製品 - Google Patents

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Abstract

一種具高強度及耐腐蝕複合材料，包含熔融在一起的一尼龍基料及一無機纖維，該尼龍基料的相對黏度介於2~4.5，且本發明提供一種具高強度及耐腐蝕工業製品，係由前述複合材料所押出成型，由於該具高強度及耐腐蝕工業製品係使用工程塑料與無機纖維組合，具有優良的抗腐蝕及耐候性，不會與環境中水、氧氣及鹽類產生反應，藉以該具高強度及耐腐蝕工業製品除了具有耐腐蝕的特性，能適用於環境中具高鹽分濃度的濱海地區，該具高強度及耐腐蝕工業製品的拉力強度至少為900kgf/cm 2以上，讓該具高強度及耐腐蝕工業製品滿足高強度及高剛性之效能。

Description

具高強度及耐腐蝕複合材料及其工業製品
本發明係與工程塑料有關；特別是指一種具高強度及耐腐蝕複合材料及其工業製品。
隨著淨零碳排趨勢興起，近年來許多國家政府及企業開始積極發展綠能產業，包含風力發電、潮汐發電、太陽能發電及火力發電等，其中太陽能發電是目前在各國最能被民眾所廣泛使用的型態，現有的太陽能發電是將太陽能板設置在可以接收到陽光的地方，最常見的是將該太陽能板裝置在建築物的頂層或者農地上。
一般來說，太陽能板的安裝上通常是需藉由支架固定太陽能板的周邊，其中現有的太陽能支架大多為鋁合金材質，而該太陽能支架的表面會形成氧化膜塗層，能阻隔本身與外界空氣與水氣接觸，即便該太陽能板長時間在室外承受日曬雨淋，該太陽能支架的氧化膜塗層具有抗腐蝕性能，改善該太陽能支架產生鏽蝕的問題。
特別說明地，當該太陽能板裝設在濱海地區時，由於濱海的空氣環境具有高鹽分濃度，且海風吹起的沙粒細石會破壞該太陽能支架表面的氧化膜塗層，使得該太陽能支架之氧化膜塗層不正常脫落，讓該太陽能支架的鋁合金露出外界環境，造成該鋁合金與水氣及鹽分產生化學反應，加速該太陽能支架表面鏽蝕速度，相應快速降低該太陽能支架的使用壽命，除了太陽能設備之外，濱海地區的工業金屬製品同樣受到空氣中高鹽分濃度而加速氧化，導致所述工業金屬製品的表面容易產生鏽蝕，加速降低所述工業金屬製品的耐久性。
因此，如何開發太陽能支架或工業製品的材質能耐用於具高鹽分濃度的嚴苛環境，實為許多相關產業目前專注之技術課題。
有鑑於此，本發明之目的在於提供一種具高強度及耐腐蝕複合材料及其工業製品，其中該具高強度及耐腐蝕複合材料屬於非金屬材質，具有優良的抗腐蝕及耐候性，不會與環境中水氣、氧氣及鹽分產生化學反應，讓該工業製品具有優良耐腐蝕的特性，能耐用於環境中具高鹽分濃度的濱海地區。
緣以達成上述目的，本發明提供的具高強度及耐腐蝕複合材料，包含熔融在一起的一尼龍基料及一無機纖維，該尼龍基料的相對黏度介於2~4.5。
本發明另一實施例提供的具高強度及耐腐蝕工業製品，包含熔融在一起的一尼龍基料及一無機纖維，該尼龍基料的相對黏度介於2~4.5，且該具高強度及耐腐蝕工業製品的拉力強度至少為900kgf/cm 2以上。
本發明之效果在於，該具高強度及耐腐蝕複合材料係使用工程塑料與無機纖維組合，具有優良的抗腐蝕及耐候性，不會與環境中水氣、氧氣及鹽分產生化學反應，讓該具高強度及耐腐蝕工業製品具有優良耐腐蝕的特性，使得該工業製品耐用於環境中具高鹽分濃度的濱海地區，且該具高強度及耐腐蝕工業製品經由前述各項機械性能測試後，該具高強度及耐腐蝕工業製品滿足高強度及高剛性之效能。
本發明一較佳實施例提供一種具高強度及耐腐蝕複合材料，包含熔融在一起的一尼龍基料及一無機纖維。
該尼龍基料具有熱塑特性，可作為射出或押出加工製程的原料，在本實施例中，該尼龍基料包含尼龍6、尼龍66、尼龍9T之一種或是一種以上的組合，且該尼龍基料的相對黏度（R.V值）介於2~4.5，但不以此為限制，其中該尼龍基料所選用的尼龍種類均具有優良機械性能，且尼龍6與尼龍66更有高密度的特性；另外，該尼龍基料的含量佔該具高強度及耐腐蝕複合材料總含量的50wt%~70wt%。
該無機纖維與該尼龍基料混煉能強化該尼龍基料原有的機械性能，在本實施例中，該無機纖維包含玻璃纖維、碳纖維、礦物纖維之一種或是一種以上的組合，其中該礦物纖維可為雲母、矽灰石、黏土之其中一種，但不以此為限制。另外，該無機纖維的含量佔該具高強度及耐腐蝕複合材料總含量的30wt%~50wt%。
在一較佳實施例中，該具高強度及耐腐蝕複合材料還包含有一擴鏈增黏劑、一紫外線吸收劑及一受阻胺型光安定劑。
該擴鏈增黏劑選用矽烷偶合劑（silane coupling agent），其中該矽烷偶合劑中的矽烷氧基對無機物具有反應性，而有機官能基對有機物具有反應性或相容性；當該尼龍基料的相對黏度介於2.0~3.5時，該尼龍基料的相對黏度不足，降低該尼龍基料與該無機纖維的混煉效果，因而可藉由額外添加該擴鏈增黏劑，使得該擴鏈增黏劑與該無機纖維以及該尼龍基料一起混煉時，能作為該無機纖維與該尼龍基料相結合的助劑。
在本實施例中，當該尼龍基料的相對黏度介於2.0~3.5時，該擴鏈增黏劑的添加量介於0~2phr，在一較佳實施例中，該擴鏈增黏劑的添加量介於0.5~1phr；特別說明地，單位「phr」（Parts Per Hundred Resin），係基於該尼龍基料與該無機纖維所組合每一百重量份的總含量中，額外添加物所添加的重量份。
該紫外線吸收劑為光穩定劑，能吸收陽光及螢光光源中的紫外線，其中該紫外線吸收劑包含苯並三唑、苯甲酮、苯亞甲基丙二酸二乙酯、二苯基乙二酰胺類之一種或是一種以上的組合；在本實施例中，該紫外線吸收劑的添加量介於0~0.5phr。
該受阻胺型光安定劑（Hindered Amine. Light Stabilizers; HALS）可以捕捉高分子材料中的自由基與分解過氧化物，減少自由基對高分子材料產生的破壞，進而減緩光劣化的速度，延長材料的使用壽命；在本實施例中，該受阻胺型光安定劑的添加量介於0~0.5phr，且該受阻胺型光安定劑的添加量與該紫外線吸收劑的添加量相同。
本發明另一實施例提供的具高強度及耐腐蝕工業製品，包含熔融在一起的一尼龍基料及一無機纖維，本實施例中該尼龍基料與該無機纖維的特性及選用種類與上述具高強度及耐腐蝕複合材料實施例所描述者相同
該尼龍基料的含量佔該具高強度及耐腐蝕工業製品總含量的40wt%~80wt%，在一較佳實施例中，該尼龍基料的含量佔該具高強度及耐腐蝕工業製品總含量的50wt%~70wt%，且該尼龍基料的重量百分比含量大於或等於該無機纖維的重量百分比含量。
該無機纖維的含量佔該具高強度及耐腐蝕工業製品總含量的20wt%~60wt%，在一較佳實施例中，該無機纖維的含量佔該具高強度及耐腐蝕工業製品總含量的30wt%~50wt%。
在本實施例中，該具高強度及耐腐蝕工業製品的製程係將該無機纖維與該尼龍基料均勻混合後投入雙螺桿押出機熔融在一起，在混煉過程可視需求適當地額外添加擴鏈增黏劑、紫外線吸收劑及受阻胺型光安定劑，本實施例中該擴鏈增黏劑、該紫外線吸收劑與該受阻胺型光安定劑的特性及添加量與上述具高強度及耐腐蝕複合材料實施例所描述者相同；接著再將混煉後的產物投入單螺桿押出機連續異形押出成型，其中該具高強度及耐腐蝕工業製品的拉力強度至少900kgf/cm 2，在本實施例中，該具高強度及耐腐蝕工業製品的拉力強度介於950~2300kgf/cm 2，在一較佳實施例中，該具高強度及耐腐蝕工業製品的拉力強度介於1500~2000kgf/cm 2。
進一步說明，該具高強度及耐腐蝕工業製品所檢測的機械性能更包含抗折強度、抗折模數、凹口衝擊強度及經紫外線老化測試後的拉力強度等項目，其中該抗折強度介於800~3000kgf/cm 2，該抗折模數80000~130000kgf/cm 2，在一較佳實施例中，該抗折強度介於2000~2800kgf/cm 2，且該抗折模數95000~128000kgf/cm 2；該凹口衝擊強度介於15~25kgf-cm/cm；該具高強度及耐腐蝕工業製品經紫外線老化測試後，該拉力強度至少850kgf/cm 2，在本實施例中，該具高強度及耐腐蝕工業製品經紫外線老化測試後，該拉力強度介於1000~1650kgf/cm 2，在一較佳本實施例中，該具高強度及耐腐蝕工業製品經紫外線老化測試後，該拉力強度介於1000~1650kgf/cm 2。
為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，本實施例提供實驗組1~5說明本發明的具高強度及耐腐蝕複合材料的組成及含量配比，且將該實驗組1~5分別押出加工獲得該具高強度及耐腐蝕工業製品，再對各該實驗組1~5的工業製品進行機械性能的測試。
一、實驗材料：
本實驗材料包含該尼龍基料、該無機纖維、該擴鏈增黏劑、該紫外線吸收劑與該受阻胺型光安定劑，其中該尼龍基料係選用尼龍6、尼龍66及尼龍9T，該無機纖維係選用玻璃纖維及雲母纖維，該擴鏈增黏劑選用矽烷偶合劑，該紫外線吸收劑係選用苯並三唑。
二、組成及含量配方：
實驗組1：尼龍6的含量佔該具高強度及耐腐蝕複合材料總含量的50wt%，該尼龍6的相對黏度(R.V值)介於3.5~4.0，玻璃纖維的含量佔該具高強度及耐腐蝕複合材料總含量的50wt%，基於該尼龍6與該玻璃纖維的總含量，受阻胺型光安定劑的添加量為0.2phr，苯並三唑（紫外線吸收劑）的添加量為0.2phr。
實驗組2：尼龍6的含量佔該具高強度及耐腐蝕複合材料總含量的60wt%，該尼龍6的相對黏度(R.V值)介於2.0~2.5，玻璃纖維的含量佔該具高強度及耐腐蝕複合材料總含量的40wt%，基於該尼龍6與該玻璃纖維的總含量，受阻胺型光安定劑的添加量為0.2phr，苯並三唑（紫外線吸收劑）的添加量為0.2phr，矽烷偶合劑（擴鏈增黏劑）的添加量為1.0phr。
實驗組3：尼龍6的含量佔該具高強度及耐腐蝕複合材料總含量的70wt%，該尼龍6的相對黏度(R.V值)介於2.5~3.0，玻璃纖維的含量佔該具高強度及耐腐蝕複合材料總含量的30wt%，基於該尼龍6與該玻璃纖維的總含量，受阻胺型光安定劑的添加量為0.1phr，苯並三唑（紫外線吸收劑）的添加量為0.1phr，矽烷偶合劑（擴鏈增黏劑）的添加量為0.75phr。
實驗組4：尼龍66的含量佔該具高強度及耐腐蝕複合材料總含量的60wt%，該尼龍66的相對黏度(R.V值)介於3.0~3.5，玻璃纖維的含量佔該具高強度及耐腐蝕複合材料總含量的40wt%，基於該尼龍66與該玻璃纖維的總含量，受阻胺型光安定劑的添加量為0.15phr，苯並三唑（紫外線吸收劑）的添加量為0.15phr，矽烷偶合劑（擴鏈增黏劑）的添加量為0.5phr。
實驗組5：尼龍9T的含量佔該具高強度及耐腐蝕複合材料總含量的65wt%，該尼龍9T的相對黏度(R.V值)介於3.0~3.5，雲母纖維的含量佔該具高強度及耐腐蝕複合材料總含量的35wt%，基於該尼龍9T與該雲母纖維的總含量，受阻胺型光安定劑的添加量為0.2phr，苯並三唑（紫外線吸收劑）的添加量為0.2phr，矽烷偶合劑（擴鏈增黏劑）的添加量為0.5phr。
實驗組1~5的組成及含量配比如下表一所示。
表一、該實驗組1~5的組成及含量配比整理表：
組成配方 實驗組1 實驗組2 實驗組3 實驗組4 實驗組5
尼龍基材 尼龍6 (50wt%) 尼龍6 (60wt%) 尼龍6 (70wt%) 尼龍66 (60%) 尼龍9T (65%)
相對黏度(R.V值) 3.5~4.0 2.0~2.5 2.5~3.0 3.0~3.5 3.0~3.5
玻璃纖維 50wt% 40wt% 30wt% 40wt% -
雲母纖維(mica) - - - - 35wt%
受阻胺型光安定劑 0.3phr 0.2phr 0.1phr 0.15phr 0.2phr
苯並三唑（紫外線吸收劑） 0.3phr 0.2phr 0.1phr 0.15phr 0.2phr
矽烷偶合劑（擴鏈增黏劑） 0 1.0phr 0.75phr 0.5phr 0.5phr
機械性能測試及結果：
將該實驗組1~5所製成的工業製品分別進行拉力強度、抗折強度、抗折模數、凹口衝擊強度及經紫外線老化測試後的拉力強度等各項的機械性能測試，其中，拉力強度係依ASTM D638規範測試；抗折強度與抗折模數係依ASTM D790規範測試；凹口衝擊強度係依ASTM D256規範測試；紫外線老化測試係對所述工業製品使用60kWh/m 2的紫外線照射條件進行老化測試，以模擬室外日照環境，再將照射後的所述工業製品測試拉力強度；各項機械性能測試結果如下述表二所示。
表二、該實驗組1~5的機械性能測試結果統計表：
機械性能 實驗組1 實驗組2 實驗組3 實驗組4 實驗組5
拉力強度kgf/cm 2 1980 1760 1650 1950 970
紫外線老化測試後的拉力強度 kgf/cm 2 1600 1200 1050 1620 900
抗折強度kgf/cm 2 2700 2450 2150 2350 850
抗折模數kgf/cm 2 125000 115000 98000 124000 87000
凹口衝擊強度kgf-cm/cm 20 19 18 22 20
押出成型加工性 優 優 優 優 優
由上述表二可知，實驗組1~5均具有優良的押出成型加工性，以拉力強度測試結果來看，該實驗組1、4的拉力強度均為1900kgf/cm 2以上，其中以該實驗組1的拉力強度為最佳，該實驗組2、3的拉力強度均為1600kgf/cm 2以上，該實驗組5的拉力強度至少為950kgf/cm 2以上；因此，實驗組1~5均能滿足高拉力強度的特性。
接著，由紫外線老化測試後的拉力強度測試結果來看，雖然實驗組1~5經紫外線照射後均相應降低拉力強度，但該實驗組1、4的拉力強度至少還有1600kgf/cm 2以上，其中以該實驗組4的拉力強度為最佳，該實驗組2、3的拉力強度均為1000kgf/cm 2以上，而該實驗組5的拉力強度至少為900kgf/cm 2，由上述內容可知，實驗組1~5經紫外線照射後還是能保有高拉力強度的性能。
由抗折強度及抗折模數測試結果來看，該實驗組1的抗折強度及抗折模數相較於該實驗組2~5為最高，而該實驗組2~4的抗折強度均為2100kgf/cm 2以上且抗折模數介於95000~124000kgf/cm 2，雖然該實驗組5的抗折強度及抗折模數為最低，但該實驗組5的抗折強度至少為850kgf/cm 2且抗折模數為87000kgf/cm 2；因此，實驗組1~5均能滿足高抗折強度及抗折模數的特性。
綜上所述，該實驗組1各項機械性能相較於該實驗組2~5呈現優良的表現，除了提供高拉力強度及高抗折強度的效能，還能有效抵抗紫外線老化試驗，保持優良的拉力強度，其次為實驗組2~4，雖然實驗組5的各項機械性能為最低，但該實驗組5的拉力強度至少為950kgf/cm 2以上，且紫外線老化測試後，該實驗組5的拉力強度至少還有900kgf/cm 2，藉以實驗組5滿足本發明高拉力強度性能的條件。
藉由本發明之設計，該具高強度及耐腐蝕複合材料係使用工程塑料與無機纖維組合，具有優良的抗腐蝕及耐候性，不會與環境中水氣、氧氣及鹽分產生化學反應，讓該具高強度及耐腐蝕工業製品具有優良耐腐蝕的特性，使得該工業製品耐用於環境中具高鹽分濃度的濱海地區；另外，該具高強度及耐腐蝕工業製品經由前述各項機械性能測試後，該具高強度及耐腐蝕工業製品滿足高強度及高剛性之效能，且經過紫外線老化測試，該具高強度及耐腐蝕工業製品的拉力強度至少還有900kgf/cm 2以上，藉以該具高強度及耐腐蝕工業製品具備優良的耐用效能。
以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
［本發明］ 無
無

Claims (21)

  1. 一種具高強度及耐腐蝕複合材料，包含熔融在一起的一尼龍基料及一無機纖維，其中該尼龍基料的相對黏度介於3~4，該無機纖維係為玻璃纖維或礦物纖維，其中該尼龍基料的含量佔該具高強度及耐腐蝕複合材料總含量的50wt%~70wt%，該無機纖維的含量佔該具高強度及耐腐蝕複合材料總含量的30wt%~50wt%；其中該具高強度及耐腐蝕複合材料包含有一紫外線吸收劑與一受阻胺型光安定劑，基於該尼龍基料與該無機纖維的總含量，該受阻胺型光安定劑的添加量介於0.15~0.3phr，該紫外線吸收劑的添加量介於0.15~0.3phr。
  2. 如請求項1所述之具高強度及耐腐蝕複合材料，其中該尼龍基料包含尼龍6、尼龍66、尼龍9T之一種或是一種以上的組合。
  3. 如請求項1所述之具高強度及耐腐蝕複合材料，其中該礦物纖維可為雲母、矽灰石、黏土之其中一種。
  4. 如請求項1所述之具高強度及耐腐蝕複合材料，包含有一擴鏈增黏劑，基於該尼龍基料與該無機纖維的總含量，該擴鏈增黏劑的添加量介於0~2phr。
  5. 如請求項4所述之具高強度及耐腐蝕複合材料，其中該擴鏈增黏劑的添加量介於0~0.5phr。
  6. 如請求項1所述之具高強度及耐腐蝕複合材料，其中該紫外線吸收劑包含苯並三唑、苯甲酮、苯亞甲基丙二酸二乙酯、二苯基乙二酰胺類之一種或是一種以上的組合。
  7. 一種具高強度及耐腐蝕工業製品，包含熔融在一起的一尼龍基料及一無機纖維，該尼龍基料的相對黏度介於3~4，且該具高強 度及耐腐蝕工業製品的拉力強度至少為900kgf/cm2以上，其中該無機纖維係為玻璃纖維或礦物纖維，該尼龍基料的含量佔該具高強度及耐腐蝕工業製品總含量的50wt%~70wt%，該無機纖維的含量佔該具高強度及耐腐蝕工業製品總含量的30wt%~50wt%；其中該具高強度及耐腐蝕工業製品包含有一紫外線吸收劑與一受阻胺型光安定劑，基於該尼龍基料與該無機纖維的總含量，該受阻胺型光安定劑的添加量介於0.15~0.3phr，該紫外線吸收劑的添加量介於0.15~0.3phr。
  8. 如請求項7所述之具高強度及耐腐蝕工業製品，其中該尼龍基料包含尼龍6、尼龍66、尼龍9T之一種或是一種以上的組合。
  9. 如請求項7所述之具高強度及耐腐蝕工業製品，其中該礦物纖維可為雲母、矽灰石、黏土之其中一種。
  10. 如請求項7所述之具高強度及耐腐蝕工業製品，包含有一擴鏈增黏劑，基於該尼龍基料與該無機纖維的總含量，該擴鏈增黏劑的添加量介於0~1phr。
  11. 如請求項10所述之具高強度及耐腐蝕工業製品，其中該擴鏈增黏劑的添加量介於0~0.5phr。
  12. 如請求項7所述之具高強度及耐腐蝕工業製品，其中該具高強度及耐腐蝕工業製品經紫外線老化測試後，拉力強度至少為850kgf/cm2以上。
  13. 如請求項12所述之具高強度及耐腐蝕工業製品，其中該具高強度及耐腐蝕工業製品經紫外線老化測試後，拉力強度介於900~1700kgf/cm2。
  14. 如請求項13所述之具高強度及耐腐蝕工業製品，其中 該具高強度及耐腐蝕工業製品經紫外線老化測試後，拉力強度介於1000~1650kgf/cm2。
  15. 如請求項7所述之具高強度及耐腐蝕工業製品，其中該紫外線吸收劑包含苯並三唑、苯甲酮、苯亞甲基丙二酸二乙酯、二苯基乙二酰胺類之一種或是一種以上的組合。
  16. 如請求項7所述之具高強度及耐腐蝕工業製品，其中該具高強度及耐腐蝕工業製品的拉力強度介於950~2300kgf/cm2。
  17. 如請求項16所述之具高強度及耐腐蝕工業製品，其中該具高強度及耐腐蝕工業製品的拉力強度介於1500~2000kgf/cm2。
  18. 如請求項7所述之具高強度及耐腐蝕工業製品，其中該具高強度及耐腐蝕工業製品的抗折強度介於800~3000kgf/cm2，且抗折模數80000~130000kgf/cm2。
  19. 如請求項18所述之具高強度及耐腐蝕工業製品，其中該具高強度及耐腐蝕工業製品的抗折強度介於2000~2800kgf/cm2，且抗折模數95000~128000kgf/cm2。
  20. 如請求項7所述之具高強度及耐腐蝕工業製品，其中該具高強度及耐腐蝕工業製品的凹口衝擊強度介於15~25kgf-cm/cm。
  21. 如請求項7所述之具高強度及耐腐蝕工業製品，其中該具高強度及耐腐蝕工業製品係由熔融在一起的該無機纖維與該尼龍基料所押出成型。
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