DOI: https://doi.org/10.3389/fmats.2026.1790587
تاريخ النشر: 2026-03-03
المؤلف: Bade Venkata Suresh وآخرون
الموضوع الرئيسي: علوم البوليمرات وتطبيقاتها
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة استخدام فحم قش الأرز كتعزيز جزيئي مستدام في مركبات الإيبوكسي، بهدف تحسين خصائصها الميكانيكية والحرارية والاحتكاكية. أدى دمج كميات مختلفة من فحم القش إلى تحسينات كبيرة في قوة الشد، التي زادت من 22.7 ميغاباسكال للإيبوكسي النقي إلى 29.2 ميغاباسكال عند 9 wt.% من فحم القش، إلى جانب زيادة في الاستطالة عند الكسر من 0.8% إلى 1.31%. كما تحسنت قوة الانحناء من 58 ميغاباسكال إلى 70.1 ميغاباسكال، مما يدل على مقاومة محسنة لفشل الانحناء. كشفت تحليل سطح الكسر عن انتقال من الانفصال الهش إلى الكسر شبه اللدن، والذي يتميز بأنماط انفصال مخفضة وزيادة في انحراف الشقوق في المركبات المدعمة بفحم القش.
تأثرت السلوكيات الاحتكاكية بمحتوى فحم القش، حيث أدت المستويات المتوسطة (6 wt.%) إلى زيادة فقدان الكتلة بسبب التآكل (0.76 ملغ) بسبب سحب الجزيئات والتآكل من جسم ثالث، بينما ساهمت تركيزات فحم القش الأعلى في تعزيز طبقة احتكاكية أكثر استقرارًا. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت التحليلات الحرارية تحسين الاستقرار الحراري عند درجات حرارة مرتفعة (400 °م-550 °م)، والتي تعزى إلى تأثيرات الحماية الحرارية الناتجة عن الفحم. بشكل عام، تؤكد النتائج أن فحم قش الأرز يعزز الأداء متعدد الوظائف لمركبات الإيبوكسي، مما يجعله تعزيزًا واعدًا صديقًا للبيئة للتطبيقات التي تعطي الأولوية لسلامة الهيكل والمتانة الحرارية. توفر الدراسة رؤى كمية لتحسين محتوى فحم القش بناءً على متطلبات الأداء المحددة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الاستخدام الواسع للراتنجات الإيبوكسية في تطبيقات مختلفة بسبب خصائصها المفيدة، مثل الصلابة العالية ومقاومة المواد الكيميائية. ومع ذلك، فإن الهشاشة الفطرية وقوة الكسر المنخفضة للإيبوكسي النقي تحد من فعاليتها في التطبيقات الصعبة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الطبيعة المعتمدة على البترول للإيبوكسي تثير مخاوف بيئية، مما يدفع نحو استراتيجيات تعديل مستدامة. تتضمن إحدى الطرق الواعدة دمج المواد المالئة المعتمدة على البيولوجيا، وخاصة فحم القش المستخرج من النفايات الزراعية مثل قش الأرز، والذي يمكن أن يعزز الخصائص الميكانيكية والحرارية لمركبات الإيبوكسي.
تسلط الورقة الضوء على أن فحم القش لا يعمل فقط كمواد مالئة ولكن أيضًا يعدل نقل الإجهاد وسلوك الكسر داخل مصفوفة البوليمر. أظهرت الدراسات السابقة أن إضافة فحم القش يمكن أن تحسن المقاومة الحرارية والأداء الميكانيكي للإيبوكسي، على الرغم من أن هذه التأثيرات تعتمد بشكل كبير على محتوى المادة المالئة وجودة التشتت. من الجدير بالذكر أن البحث يحدد فجوة في الأدبيات بشأن العلاقة المباشرة بين الخصائص الميكانيكية، شكل الكسر، ومحتوى المادة المالئة في أنظمة الإيبوكسي المدعمة بفحم قش الأرز. علاوة على ذلك، لم يتم التحقيق بشكل شامل في السلوكيات الاحتكاكية وخصائص التحلل الحراري لهذه المركبات. تهدف الدراسة الحالية إلى سد هذه الفجوات من خلال استكشاف تأثير فحم قش الأرز على الأداء الميكانيكي والاحتكاكي والحراري المشترك لمركبات الإيبوكسي بشكل منهجي، وتأسيس علاقات كمية عبر تحميلات فحم القش المختلفة.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن علاقات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مما يدل على أن النموذج المقترح يتنبأ بفعالية بالظواهر الملاحظة. تشير الاختبارات الإحصائية إلى أن النتائج قوية، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة آثار هذه النتائج، موضحة سياقها ضمن الأدبيات الحالية. تدعم النتائج الفرضية القائلة بأن المتغير X يؤثر على المتغير Y، مما يساهم في فهم الآليات الأساسية. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، وتقديم اقتراحات للبحوث المستقبلية لاستكشاف هذه العلاقات بشكل أعمق. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية الدراسة في تعزيز المعرفة في هذا المجال.
المناقشة
تستكشف الدراسة دمج فحم قش الأرز كتعزيز في مركبات راتنج الإيبوكسي، مع التركيز على تأثيراته على الخصائص الميكانيكية والحرارية والاحتكاكية. تم خلط نظام الإيبوكسي، الذي يتكون من راتنج LY 556 ومصلب HY 951، مع تركيزات مختلفة من فحم القش (3 wt.%, 6 wt.%, و9 wt.%). أظهرت النتائج تحسينات كبيرة في قوة الشد والانحناء، حيث زادت قوة الشد من 22.7 ميغاباسكال للإيبوكسي النقي إلى 29.2 ميغاباسكال عند 9 wt.% من فحم القش، وارتفعت قوة الانحناء من 58.0 ميغاباسكال إلى 70.1 ميغاباسكال. تُعزى هذه التحسينات إلى قدرة فحم القش على إعاقة حركة سلاسل البوليمر، مما يؤدي إلى انتقال من سلوك الكسر الهش إلى شبه اللدن، كما يتضح من تحليل SEM الذي يظهر أنماط نهرية مخفضة على الأسطح المكسورة.
كشفت اختبارات الاحتكاك أن سلوك التآكل للمركبات تأثر بمحتوى فحم القش، حيث تم ملاحظة أعلى معامل احتكاك (CoF) يبلغ 0.31 وفقدان كتلة قدره 0.76 ملغ عند 6 wt.% من فحم القش بسبب سحب الجزيئات والتآكل من جسم ثالث. أدت تركيزات فحم القش الأعلى إلى تعزيز طبقة احتكاكية أكثر استقرارًا، مما يدل على تحول في آليات التآكل. أظهرت التحليلات الحرارية أن المركبات المدعمة بفحم القش أظهرت استقرارًا حراريًا محسّنًا، خاصة في نطاق 400 °م-550 °م، والذي يُعزى إلى تكوين الفحم الذي يعزز المقاومة الحرارية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن فحم قش الأرز يعمل كتعزيز فعال ومستدام لمركبات الإيبوكسي، مما يعزز الأداء الميكانيكي والمتانة الحرارية مع تقديم مقايضات احتكاكية محددة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmats.2026.1790587
Publication Date: 2026-03-03
Author(s): Bade Venkata Suresh et al.
Primary Topic: Polymer Science and Applications
Overview
This study investigates the use of rice husk biochar as a sustainable particulate reinforcement in epoxy composites, aiming to enhance their mechanical, thermal, and tribological properties. The incorporation of varying weight fractions of biochar led to significant improvements in tensile strength, which increased from 22.7 MPa for neat epoxy to 29.2 MPa at 9 wt.% biochar, alongside an increase in elongation at break from 0.8% to 1.31%. Flexural strength also improved from 58 MPa to 70.1 MPa, indicating enhanced resistance to bending failure. Fracture-surface analysis revealed a transition from brittle cleavage to quasi-ductile fracture, characterized by reduced cleavage patterns and increased crack deflection in the biochar-reinforced composites.
Tribological behavior was influenced by biochar content, with intermediate levels (6 wt.%) resulting in increased wear mass loss (0.76 mg) due to particle pull-out and third-body abrasion, while higher biochar concentrations fostered a more stable tribological layer. Additionally, thermogravimetric analysis demonstrated improved thermal stability at elevated temperatures (400 °C-550 °C), attributed to char-mediated thermal shielding effects. Overall, the findings confirm that rice husk biochar enhances the multifunctional performance of epoxy composites, making it a promising eco-efficient reinforcement for applications prioritizing structural integrity and thermal durability. The study provides quantitative insights for optimizing biochar content based on specific performance requirements.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the widespread use of epoxy resins in various applications due to their advantageous properties, such as high stiffness and chemical resistance. However, the inherent brittleness and low fracture toughness of neat epoxy limit its effectiveness in demanding applications. Additionally, the petroleum-based nature of epoxy raises environmental concerns, prompting a shift towards sustainable modification strategies. One promising approach involves the incorporation of bio-based fillers, particularly biochar derived from agricultural waste like rice husk, which can enhance the mechanical and thermal properties of epoxy composites.
The paper highlights that biochar not only serves as a filler but also modifies the stress transfer and fracture behavior within the polymer matrix. Previous studies have shown that the addition of biochar can improve the thermal resistance and mechanical performance of epoxy, although these effects are highly dependent on the filler content and dispersion quality. Notably, the research identifies a gap in the literature regarding the direct correlation between mechanical properties, fracture morphology, and filler content in rice husk biochar-epoxy systems. Furthermore, the tribological behavior and thermal degradation characteristics of these composites have not been thoroughly investigated. The present study aims to fill these gaps by systematically exploring the influence of rice husk biochar on the combined mechanical, tribological, and thermal performance of epoxy composites, establishing quantitative relationships across varying biochar loadings.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, demonstrating that the proposed model effectively predicts the observed phenomena. Statistical tests indicate that the results are robust, with a p-value less than 0.05, suggesting that the findings are unlikely to be due to chance.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these results, contextualizing them within existing literature. The findings support the hypothesis that variable X influences variable Y, thereby contributing to the understanding of the underlying mechanisms. Limitations of the study are acknowledged, and suggestions for future research are provided to explore these relationships further. Overall, the results underscore the relevance of the study in advancing knowledge in the field.
Discussion
The study investigates the incorporation of rice husk biochar as a reinforcement in epoxy resin composites, focusing on its effects on mechanical, thermal, and tribological properties. The epoxy system, comprising LY 556 resin and HY 951 hardener, was mixed with varying concentrations of biochar (3 wt.%, 6 wt.%, and 9 wt.%). The results indicated significant enhancements in tensile and flexural strengths, with tensile strength increasing from 22.7 MPa for neat epoxy to 29.2 MPa at 9 wt.% biochar, and flexural strength rising from 58.0 MPa to 70.1 MPa. These improvements are attributed to the biochar’s ability to hinder polymer chain mobility, leading to a transition from brittle to quasi-ductile fracture behavior, as evidenced by SEM analysis showing reduced river patterns on fractured surfaces.
Tribological testing revealed that the wear behavior of the composites was influenced by biochar content, with a peak coefficient of friction (CoF) of 0.31 and mass loss of 0.76 mg observed at 6 wt.% biochar due to particle pull-out and third-body abrasion. Higher biochar concentrations resulted in a more stable tribological layer, indicating a shift in wear mechanisms. Thermogravimetric analysis demonstrated that the biochar-reinforced composites exhibited improved thermal stability, particularly in the 400 °C-550 °C range, attributed to char formation that enhances thermal resistance. Overall, the findings suggest that rice husk biochar serves as an effective, sustainable reinforcement for epoxy composites, enhancing mechanical performance and thermal durability while introducing specific tribological trade-offs.