DOI: https://doi.org/10.1007/s00289-026-06291-y
تاريخ النشر: 2026-01-19
المؤلف: M. Senthil Kumar وآخرون
الموضوع الرئيسي: المركبات المدعمة بالألياف الطبيعية
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة الخصائص الميكانيكية والفيزيائية وامتصاص الماء والخصائص العنصرية لمركبات الإيبوكسي المدعمة بألياف قشور الأريكا وحشوات بذور جوز الأريكا. تم تصنيع خمسة مركبات باستخدام تشكيل الضغط، مع الحفاظ على نسبة ثابتة من الإيبوكسي تبلغ 70 wt.% مع تغيير نسب الألياف/الحشوات من 30/0 إلى 20/10 wt.%. تم معالجة ألياف الأريكا بـ 5% NaOH لتحسين خشونة السطح وتعزيز التصاق الألياف بالمصفوفة. أظهرت النتائج أن المركب الذي يحتوي على 22.5% من ألياف قشور الأريكا و7.5% من حشوات بذور جوز الأريكا (22.5AF7.5AFI) أظهر أفضل أداء ميكانيكي، حيث حقق قوة شد تبلغ 14.35 ميغاباسكال، وقوة انحناء تبلغ 43.19 ميغاباسكال، وقوة تأثير تبلغ 11.43 كيلوجول/م²، وقوة ضغط تبلغ 4.7 ميغاباسكال. بالإضافة إلى ذلك، أظهر المركب الذي يحتوي على 20% من ألياف قشور الأريكا و10% من حشوات بذور الأريكا أعلى صلابة تبلغ 78.17 ومعدل امتصاص ماء منخفض يبلغ 5.89%.
تؤكد النتائج أن جوز الأريكا والألياف تعمل بشكل فعال كحشوات طبيعية وتعزيزات في مركبات الإيبوكسي. تُعزى الخصائص الميكانيكية المحسنة إلى توزيع الحشوات الأمثل وتحسين الالتصاق بين الواجهات، كما تم تأكيده من خلال تحليل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وتحليل الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX). بينما أدى تحميل الحشوات الأعلى (10 wt%) إلى تكتل أثر سلبًا على الأداء الميكانيكي، تستنتج الدراسة أن الألياف وقشور الأريكا الموزونة بشكل صحيح تنتج مركبات حيوية ذات خصائص ميكانيكية ومقاومة للماء ملائمة. هذه المواد القابلة للتحلل البيولوجي والصديقة للبيئة تقدم بديلاً قابلاً للتطبيق عن الخيارات الاصطناعية في التطبيقات الهيكلية وشبه الهيكلية، لا سيما في صناعات الطيران والسيارات والبناء، مما يعزز الاستدامة البيئية مع تلبية معايير الأداء.
مقدمة
تناقش المقدمة إمكانيات الألياف الطبيعية المستمدة من النباتات والحيوانات والمعادن كبدائل مستدامة للألياف الاصطناعية في المواد المركبة. توفر الألياف الطبيعية، التي يتم الحصول عليها عادة من المناطق شبه الاستوائية والاستوائية، مزايا مثل الكثافة المنخفضة (1.2-1.5 غرام/سم³) مقارنةً بالخيارات الاصطناعية مثل ألياف الزجاج (≈ 2.5 غرام/سم³)، بالإضافة إلى فوائد في التجديد والقابلية للتحلل البيولوجي والجدوى الاقتصادية. ومع ذلك، تواجه الألياف الطبيعية تحديات مثل امتصاص الرطوبة وعدم الاستقرار الأبعاد، والتي يمكن التخفيف منها من خلال علاجات سطحية متنوعة، بما في ذلك المعالجة القلوية التي تعزز خشونة الألياف ومحتوى السليلوز، مما يحسن التصاق الألياف بالمصفوفة وأداء المركب بشكل عام.
تسلط هذه الفقرة الضوء أيضًا على دمج الحشوات، وخاصة من النفايات الزراعية مثل قش الأرز، في المركبات البوليمرية لتعزيز الخصائص الميكانيكية، وتقليل التكاليف، وتعزيز الاستدامة. يمتد استخدام المركبات المدعمة بالألياف الطبيعية (NFRC) عبر عدة قطاعات، بما في ذلك السيارات والطيران والبناء والسلع الاستهلاكية، حيث تساهم في تقليل الوزن وتحسين كفاءة الوقود. كما تقدم الورقة نتائج من تجارب على مركبات هجينة مدعمة بألياف الأباكا والجوت، مما يظهر تحسينات كبيرة في قوة الشد والانحناء مع إضافة حشوة قش الأرز. بالإضافة إلى ذلك، تشير إلى نقص الأدبيات الموجودة حول المركبات الهجينة المدعمة بألياف قش الأريكا وتحدد هدف الدراسة لتقييم تأثير حشوة بذور جوز الأريكا على الخصائص الميكانيكية وامتصاص الماء لهذه المركبات.
طرق
في هذه الدراسة، تم تطوير مواد مركبة باستخدام ألياف قشور الأريكا (AHF) وحشوة بذور جوز الأريكا (ASF)، المستمدة من منطقة هاسين، كارناتاكا، الهند. تم الحفاظ على مصفوفة الإيبوكسي بتكوين قياسي يبلغ 70%، بينما تم تغيير محتوى الألياف من 30% إلى 20%، مع دمج الحشوة بنسب وزن تبلغ 0%، 2.5%، 5%، 7.5%، و10%. تم تعيين العينات الناتجة كـ 30AHF0ASF، 27.5AHF2.5ASF، 25AHF5ASF، 22.5AHF7.5ASF، و20AHF10ASF، كما هو موضح في الجدول 1.
شمل عملية التصنيع تكديس يدوي للتعزيزات، تليها تشكيل الضغط باستخدام آلة ذات طبقتين. تم خلط راتنج الإيبوكسي والمصلب مع الحشوات باستخدام خلاط مغناطيسي، وتم تشكيل المركب في قالب ألمنيوم بحجم 300 × 300 × 5 مم. تم معالجة القالب بعميل تحرير لتقليل الاحتكاك، وتم تسخين الخليط إلى 120 درجة مئوية وضغطه عند 35 بار. بعد المعالجة، تم تقسيم ألواح المركب وفقًا لمعايير ASTM للتحليلات الميكانيكية وامتصاص الماء والعنصرية وتحليل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) اللاحق. توضح الشكل 3 عملية تصنيع مركبات الألياف المدعمة بقشور الأريكا الممزوجة بحشوة بذور الجوز.
مناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث استخراج وتصنيف ألياف قشور الأريكا (AHF) وحشوة بذور جوز الأريكا (ASF) لاستخدامها في المركبات المعتمدة على الإيبوكسي. تشمل عملية الاستخراج التجفيف، والتقشير، وتنظيف AHF، تليها معالجة بمحلول هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) لتحسين جودة الألياف. تُعتبر مصفوفة الإيبوكسي، تحديدًا LY556، معروفة بخصائصها الميكانيكية ومقاومتها للرطوبة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الحاملة للأحمال. تؤكد الدراسة على أهمية محتوى الحشوات، حيث تؤدي النسب المثلى إلى تحسين قوة الشد والانحناء والضغط بسبب تحسين الالتصاق بين الألياف والحشوات ومصفوفة الإيبوكسي.
تظهر اختبارات الميكانيكا أن المركبات التي تحتوي على 22.5 wt% AHF و7.5 wt% ASF تُظهر خصائص ميكانيكية متفوقة، بما في ذلك أقصى قوة شد تبلغ 14.35 ميغاباسكال وقوة انحناء تبلغ 43.19 ميغاباسكال. ومع ذلك، يؤدي محتوى الحشوات المفرط (10 wt%) إلى تكتل، مما يؤثر سلبًا على الأداء الميكانيكي. تشير اختبارات امتصاص الماء إلى أن المركبات ذات محتوى الحشوات الأعلى تظهر انخفاضًا في امتصاص الماء، مما يعزز المتانة. تؤكد التحليلات الشكلية عبر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) تحسين الالتصاق بين الواجهات ووجود فراغات في المركبات المختلطة بشكل سيء. تشير التحليلات العنصرية من خلال مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) إلى وجود كبير للكربون والأكسجين في AHF المعالج، مما يدعم ملاءمته كحشوة طبيعية. بشكل عام، تستنتج الدراسة أن AHF وASF يمكن أن تعزز بشكل فعال مركبات الإيبوكسي، مما يقدم بديلاً مستدامًا عن المواد الاصطناعية في تطبيقات الهندسة المختلفة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s00289-026-06291-y
Publication Date: 2026-01-19
Author(s): M. Senthil Kumar et al.
Primary Topic: Natural Fiber Reinforced Composites
Overview
This study investigates the mechanical, physical, water-absorption, and elemental properties of epoxy composites reinforced with Areca husk fiber and Areca nut seed filler. Five composites were fabricated using compression molding, maintaining a constant 70 wt.% epoxy while varying fiber/filler ratios from 30/0 to 20/10 wt.%. The Areca fibers were treated with 5% NaOH to improve surface roughness and enhance fiber-matrix adhesion. The results indicated that the composite with 22.5% Areca husk fiber and 7.5% Areca nut seed filler (22.5AF7.5AFI) exhibited the best mechanical performance, achieving a tensile strength of 14.35 MPa, flexural strength of 43.19 MPa, impact strength of 11.43 kJ/m², and compressive strength of 4.7 MPa. Additionally, the composite with 20% Areca husk fiber and 10% Areca seed filler demonstrated the highest hardness of 78.17 and a low water absorption rate of 5.89%.
The findings confirm that Areca nuts and fibers serve effectively as natural fillers and reinforcements in epoxy composites. Enhanced mechanical properties are attributed to optimal filler dispersion and improved interfacial adhesion, as confirmed by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-ray (EDX) analyses. While higher filler loading (10 wt%) led to agglomeration that negatively impacted mechanical performance, the study concludes that properly proportioned Areca husk fiber and nut composites yield bio-composites with favorable mechanical properties and water resistance. These biodegradable and eco-friendly materials present a viable alternative to synthetic options in structural and semi-structural applications, particularly in the aerospace, automotive, and construction industries, promoting environmental sustainability while meeting performance standards.
Introduction
The introduction discusses the potential of natural fibers derived from plants, animals, and minerals as sustainable alternatives to synthetic fibers in composite materials. Natural fibers, typically sourced from subtropical and tropical regions, offer advantages such as lower density (1.2-1.5 g/cm³) compared to synthetic options like glass fibers (≈ 2.5 g/cm³), as well as benefits in renewability, biodegradability, and cost-effectiveness. However, natural fibers face challenges such as moisture absorption and dimensional instability, which can be mitigated through various surface treatments, including alkali treatment that enhances fiber roughness and cellulose content, thereby improving fiber-matrix adhesion and overall composite performance.
The section further highlights the incorporation of fillers, particularly from agro-waste like rice husk, into polymer composites to enhance mechanical properties, reduce costs, and promote sustainability. The use of natural fiber-reinforced composites (NFRC) spans multiple sectors, including automotive, aerospace, construction, and consumer goods, where they contribute to weight reduction and improved fuel efficiency. The paper also presents findings from experiments on hybrid composites reinforced with abaca and jute fibers, demonstrating significant improvements in tensile and flexural strength with the addition of rice husk filler. Additionally, it notes the lack of existing literature on hybrid composites reinforced with areca husk fiber and outlines the study’s objective to evaluate the effects of areca nut seed filler on the mechanical properties and water absorption of these composites.
Methods
In this study, composite materials were developed using Areca husk fiber (AHF) and Areca nut seed filler (ASF), sourced from Hassen District, Karnataka, India. The epoxy matrix was maintained at a standard composition of 70%, while the fiber content was varied from 30% to 20%, with the filler incorporated at weight fractions of 0%, 2.5%, 5%, 7.5%, and 10%. The resulting samples were designated as 30AHF0ASF, 27.5AHF2.5ASF, 25AHF5ASF, 22.5AHF7.5ASF, and 20AHF10ASF, as detailed in Table 1.
The fabrication process involved manual stacking of the reinforcements, followed by compression molding using a two-layer machine. The epoxy resin and hardener were mixed with the fillers using a magnetic stirrer, and the composite was formed in a 300 × 300 × 5 mm aluminum mold. The mold was treated with a release agent to reduce friction, and the mixture was heated to 120°C and compressed at 35 bars. After curing, the composite plates were sectioned according to ASTM standards for subsequent mechanical, water absorption, elemental, and scanning electron microscopy (SEM) analyses. Figure 3 illustrates the fabrication process of the Areca husk fiber reinforced composites infused with nut seed filler.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the extraction and characterization of Areca Husk Fiber (AHF) and Areca nut seed filler (ASF) for use in epoxy-based composites. The extraction process involves drying, peeling, and cleaning the AHF, followed by treatment with sodium hydroxide (NaOH) to enhance fiber quality. The epoxy matrix, specifically LY556, is noted for its mechanical properties and moisture resistance, making it suitable for load-bearing applications. The study emphasizes the importance of filler content, with optimal proportions leading to improved tensile, flexural, and compressive strengths due to better interfacial adhesion between the fibers, filler, and epoxy matrix.
Mechanical testing reveals that composites with 22.5 wt% AHF and 7.5 wt% ASF exhibit superior mechanical properties, including a maximum tensile strength of 14.35 MPa and flexural strength of 43.19 MPa. However, excessive filler content (10 wt%) leads to clustering, which negatively impacts mechanical performance. Water absorption tests indicate that composites with higher filler content show reduced water absorption, enhancing durability. Morphological analysis via Scanning Electron Microscopy (SEM) confirms improved interfacial bonding and the presence of voids in poorly mixed composites. Elemental analysis through Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX) indicates a significant carbon and oxygen presence in treated AHF, supporting its suitability as a natural filler. Overall, the study concludes that AHF and ASF can effectively reinforce epoxy composites, presenting a sustainable alternative to synthetic materials in various engineering applications.