Various reinforcing fibers have been used as heat-resistant and strength-enhancement material components, ranging from inorganic ceramic fibers to synthesized organic fibers. In recent years, basalt fiber (BF), a natural fiber, has gained much attention as a potential reinforcing material. Basalt is a common volcanic rock formed from the rapid cooling of basaltic lava and is made of fibrous material in a melting process at temperatures approaching $1450^\circ C$. BF is ideally suited for material applications requiring mechanical strength, high temperature resistance, durability, and chemical resistance, and is environmentally sound. Due to its outstanding properties, BF is emerging as an alternative to traditional materials in the automotive industry for the production of heat-resistant parts.
BF-reinforced plastic composites (BFRPs) have been studied extensively and provide numerous advantages and possibilities. However, most previous work has focused on BF incorporation into the resin matrix. The performance of composites is determined by the properties of the fiber and the matrix, as well as the interface compatibility between them; excellent adhesion properties promote efficient load transfer across the matrix–fiber boundary. In general, there are several methods used to improve interfacial bonding strength, including silane coupling and plasma treatment for fiber surface modification and blending of the compatibilizer with resin for compatibility enhancement.
In this study, to improve the interfacial bonding strength between BF and matrix resin, functionalization processes were designed as described below.
Firstly, amino-silane coupling agents were applied to BF-reinforced polyamide 6,6 composites. The effects of their molecular structures, especially the number of amino groups and the corresponding chain lengths, on the mechanical properties of basalt fiber-reinforced PA6,6 composites (BFRP) were then investigated.
Secondly, to improve the interfacial strength between BFs and PA6,6, plasma polymerization of a 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) were applied to BF-reinforced polyamide 6,6 composites. we investigated the complex reaction mechanism in plasma polymerization using argon gas and APTES.
Additionally, there was an effort to apply this compounding techniques to three-dimensional (3D) printing. 3D printing, one of the latest manufacturing processes for creating advanced composites, has recently attracted a great deal of attention. 3D printing uses various methods to build a desired geometry based on a digital model. The most widely used type of 3D printing is fused deposition modeling (FDM), in which a thermoplastic can deform when heated, and then returns to a rigid state when cooled. The unique nature of 3D printing allow it ideally make complex structural materials that form different microstructure than those prepared by conventional manufacturing processes. However, because only a few materials have been used as a feedstock for 3D printing, the resulting products exhibit limited mechanical properties. Therefore, this technology is rapidly advancing to make it suitable for the manufacturing of composite products.
Fiberous reinforcement can significantly improve the mechanical properties of 3D-printed polymeric materials. Although continuous fiber are great for increasing the mechanical strength of composites, but their processing makes it difficult to apply in 3D printing. More commonly used for 3D printing fabrication are the short fiber-reinforced thermoplastic (SFRTPs). SFRTPs have typically been fabricated by extrusion and molding processes and ensure moderately increased strength. The mechanical properties of SFRTPs are highly determined by the contribution of each component, such as the fiber length, fiber orientation and voids distribution.
Here, for improving our understanding of the microstructure inside 3D-printed BFRPs, the microstructural characteristics of these composites were identified through advanced technical measurement method, and their effects on the strength were examined in more analytical ways through a theoretical approach. This study will allow us to accurately predict the effects of various microstructural features on the final mechanical properties of 3D-printed BFRPs composites. A systematic study was also performed to examine the anisotropic microstructure dependent mechanical properties of 3D-printed BFRPs. In terms of interfacial improvement between the fiber and the matrix, a hyper-physical material made of highly controlled surfaces, highly assembled structures, and highly compatible components, which was not possible with conventional processing routes, was prepared along with the inherent properties of 3D printing, and its mechanical properties were characterized.
무기 세라믹 섬유에서 합성 유기 섬유에 이르기까지 다양한 강화 섬유가 내열성 및 강도 향상을 위한 강화재로 사용되어왔다. 그러나, 최근에는 천연 섬유 인 현무암 섬유 (basalt fiber, BF)가 잠재적 보강재로서 많은 주목을 받고있다. 현무암 섬유는 화산 용암의 빠른 냉각으로 형성된 현무암 원석으로부터 $1450^\circ C$에 근접한 높은 온도에서 섬유질 재료로 만들어진 것이다. 현무암 섬유는 기계적 강도, 내열성, 내구성 및 내 화학성이 요구되는 응용 재료 분야에 이상적이며 친환경적인 장점이 있다. 이 같은 뛰어난 특성으로 인해 현무암 섬유는 고강도, 고내열성이 요구되는 자동차 플라스틱 부품에의 적용을 위한 대체 강화재로 급부상하고 있다.
그동안 현무암 섬유 강화 플라스틱 복합 재료 (BFRPs)는 광범위하게 연구되어 왔으며 수많은 장점과 가능성이 보고되어 왔다. 그러나, 대부분의 연구는 기지 수지에 현무암 섬유를 단지 복합화를 하는데 중점을 두었을 뿐, 복합재의 성능이 섬유와 기지 수지의 특성 및 섬유-기지재 간 계면특성에 의해 결정됨을 간과 하였다. 특히, 우수한 섬유-기지재 간 계면특성은 기지 수지로부터 섬유로의 효율적인 하중 전달을 유도하며, 복합소재의 강도를 높인다. 따라서, 이러한 섬유-기지재 간 계면 강도를 개선하기 위한 방법으로 실란 커플링 처리, 플라즈마 처리 및 상용화제 첨가 등이 우선적으로 고려되어야 하며, 효과적인 적용을 위해 학술적 관점에서의 근본적인 검토가 필요하다
본 연구에서는 현무암 섬유와 기지 수지 간 계면 결합 강도를 향상시키기 위해 하기와 같이 기능화 공정을 설계하였다.
첫번째로, 아미노 실란 커플링제를 BF/PA6,6 복합소재에 적용하는 방법이 제안되었다.아미노기의 수, 이론적 사슬 길이 등 아미노 실란 커플링제의 분자 구조가 BF/PA6,6 복합소재의 기계적 특성에 미치는 영향을 조사 하였다.
두번째로, 3-aminopropyltriethoxysilane(APTES)의 플라즈마 중합 공정이 BF/PA6,6 복합소재의 계면 강화 전략으로 제안되었다. Ar 가스 하에 APTES를 BF 표면 위에 플라즈마 중합 시키고, 중합과정에서의 반응 메커니즘을 규명하는 연구가 수행되었다.
단섬유 강화 복합소재에 대한 연구는 하기의 3D 프린팅 공정에 적용하기 위한 노력으로 확장되었다. 3D 프린팅 기술은 단섬유 강화 복합소재 제조를 위한 최신 제조 공법 중 하나로 최근 많은 관심을 받고 있다. 3D 프린팅 기술은 디지털 모델을 기반으로 원하는 형상의 구조체를 3D 적층 가공하는 공정이다. 가장 널리 사용되는 3D 프린팅 공정은 FDM (Fused Deposition Modeling)으로, 열가소성 플라스틱이 가열 시 물질이 변형되고 냉각되면 강성 상태로 되돌아 가는 특징을 이용한 공정이다. FDM 3D 프린팅 공정은 공정 상의 고유 한 특성으로 기존 공정과는 다른 독특한 미세 구조를 형성하며 이를 이용하면 이상적인 구조적 특징을 갖는 복합소재를 만들 수 있다. 그러나, 아직까지 소수의 재료 만이 3D 프린팅 용 공급 원료로서 사용되고 있으며, 제한된 기계적 특성을 나타내 실질적인 산업적 응용이 어려운 상황이다. 따라서 최근에 이 기술은 복합소재 제조에 적합하도록 빠르게 발전하고 있으며, 관련 연구에 대한 관심도 급증하는 추세에 있다.
섬유 강화는 3D 프린팅 재료의 기계적 특성을 개선시키는데 매우 효과적인 방법이 된다. 연속 섬유가 복합 재료의 기계적 강도를 높이는 데는 매우 효과적이지만, 3D 프린팅 공정에 적용하기에는 제한되는 점이 많으며, 더 일반적으로 사용되는 것은 단섬유 강화 복합소재이다. 3D 프린팅 된 단섬유 강화 복합소재의 기계적 특성은 섬유 길이, 섬유 방향 그리고 공극 분포와 같은 복합소재를 구성하는 구성요소들의 기여에 따라 크게 다르게 결정된다.
본 연구에서는 3D 프린팅 된 BF/PLA 복합소재의 내부 미세 구조에 대한 이해를 높이기 위해 $\mu CT$ 기반 정량 분석이 수행되었다. 프린팅 공정 중 유도된 섬유와 기공의 높은 배향성이 복합소재의 이방적 미세구조와 이에 기인한 이방적 기계적 강도에 미치는 영향이 조사되었으며, 섬유와 기지재 간 높은 계면 접착 강도 구현을 통해 3D 프린팅 된 BF/PLA 복합소재의 강도, 강성 및 인성의 효과적인 강화가 발현됨을 확인하였다.
