DOI: https://doi.org/10.1007/s42452-024-05660-4
تاريخ النشر: 2024-01-25
المؤلف: L. Natrayan وآخرون
الموضوع الرئيسي: البحث النباتي وتطبيقاته
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في إنشاء مركبات حيوية مستدامة باستخدام ألياف صبار الأوبونتيا وبيوكربون زهور النخيل، بهدف تعزيز الخصائص الميكانيكية والحرارية وامتصاص الماء للتطبيقات الصناعية. تحدد الدراسة المركب C3 (الذي يتكون من 57% وزناً من الراتنج، و40% وزناً من الألياف، و3% وزناً من البيوكربون) كونه يظهر خصائص ميكانيكية متفوقة، بما في ذلك قوة انحناء تبلغ 217 ميجا باسكال، وقوة شد تبلغ 178 ميجا باسكال، وقوة تأثير تبلغ 7.2 جول، وصلابة تبلغ 92 شور-D. ومن الجدير بالذكر أن تركيز 5% من البيوكربون أدى إلى انخفاض طفيف في الخصائص الميكانيكية بسبب تكثيف الإجهاد المحلي والتصدع بين الواجهات. تم تحديد محتوى البيوكربون الأمثل لتعظيم الأداء الميكانيكي ليكون 3% من الحجم.
أشارت قياسات الموصلية الحرارية إلى وجود علاقة مباشرة مع تركيز البيوكربون، حيث تراوحت من 0.36 واط/متر كلفن لأدنى تركيز إلى 0.49 واط/متر كلفن لأعلى تركيز، مما يبرز دور البيوكربون كموصل حراري. بالإضافة إلى ذلك، وجدت الدراسة أن معدل امتصاص الماء زاد مع إضافة ألياف الأوبونتيا والبيوكربون، حيث كانت معالجة السيلان فعالة في تقليل امتصاص الماء عبر جميع المركبات. تشير النتائج إلى أن هذه المركبات الحيوية تحمل إمكانات كبيرة للتطبيقات في الصناعات الإلكترونية، والطيران، والسيارات، والتغليف، مما يلبي الطلب المتزايد على المواد الصديقة للبيئة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الأهمية المتزايدة لمواد المركبات الحيوية، التي تُعرف بقوتها، وخفتها، وقابلية تحللها، مما يجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات التقنية، لا سيما في صناعات السيارات والطيران. أدت التطورات الأخيرة إلى تطوير مواد حيوية مبتكرة تستخدم الألياف الطبيعية المتجددة، مثل بقايا قصب السكر، والجووت، والألياف الجوزية، وصبار الأوبونتيا، التي تظهر خصائص ميكانيكية مشابهة للألياف التقليدية مثل الأباكا. ومن الجدير بالذكر أن ألياف الأوبونتيا لها كثافة تبلغ 1.54 جرام/سم³، مشابهة لتلك الخاصة بالأباكا، وهيكلها الهرمي الفريد يعزز خصائصها الميكانيكية والحرارية عند معالجتها بمحلولات السيلان.
تؤكد الدراسة على إمكانات البيوكربون، المستخرج من النفايات الصناعية والمنزلية، كمواد تعزيز فعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة، تحسن الخصائص الكهربائية والحرارية والبصرية للمركبات. تشير الدراسات إلى أن دمج البيوكربون يمكن أن يعزز الخصائص الميكانيكية، بما في ذلك قوة الانحناء وقوة الشد، بينما يوفر أيضًا خصائص درع التداخل الكهرومغناطيسي (EMI). على الرغم من الاستكشاف الواسع لمختلف المواد الحيوية، تحدد الدراسة فجوة في البحث فيما يتعلق ببيوكربون زهور النخيل. لذلك، تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في خصائص المركب من ألياف صبار الأوبونتيا المدمجة مع بيوكربون زهور النخيل، باستخدام عملية معالجة السيلان وتقنية التركيب اليدوي، مع الإيبوكسي كمصفوفة. من المتوقع أن تكون النتائج لها تطبيقات عملية في قطاعات مثل السيارات والدفاع والتصنيع.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون راتنج الإيبوكسي Araldite LY 556، الذي يتميز بكثافة تبلغ 1.09 جرام/سم³ ووزن جزيئي يبلغ 190 جرام/مول. تم الحصول على كل من راتنج الإيبوكسي ومصلبه من HUNTSMAN India Pvt. Ltd. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام أمينوبروبيل ثلاثي إيثوكسي سيلان كمعدل سطح، تم الحصول عليه من Sigma Aldrich. تم الحصول على المواد الكيميائية الثانوية الأخرى اللازمة للبحث محليًا من كويمباتور، الهند. تعتبر هذه الاختيارات من المواد حاسمة للإجراءات التجريبية والتحليل اللاحق لخصائص راتنج الإيبوكسي.
مناقشة
تبحث الدراسة في إعداد وخصائص المركبات الحيوية المصنوعة من ألياف صبار الأوبونتيا وبيوكربون زهور النخيل. تتضمن عملية استخراج الألياف إزالة الشوك بعناية، والنقع، والفصل الميكانيكي، بينما يتم إنتاج البيوكربون من خلال التحميص عند 250 درجة مئوية. يتم إنشاء المركبات باستخدام معالجة السيلان للألياف وتقنية التركيب اليدوي، مع إضافة نسب متفاوتة من البيوكربون. تكشف الاختبارات الميكانيكية أن المركب C3، الذي يحتوي على 40% من الألياف و3% من البيوكربون، يظهر خصائص ميكانيكية مثالية، بما في ذلك قوة انحناء تبلغ 217 ميجا باسكال وقوة شد تبلغ 178 ميجا باسكال. ومع ذلك، يؤدي زيادة محتوى البيوكربون إلى أكثر من 3% إلى انخفاض في الأداء الميكانيكي بسبب تركيز الإجهاد والتصدع بين الواجهات.
كما يتم تقييم خصائص الموصلية الحرارية وامتصاص الماء. تتحسن الموصلية الحرارية مع إضافة البيوكربون، حيث تصل القيم إلى 0.49 واط/متر كلفن للمركب C5. وعلى العكس، يزداد امتصاص الماء مع دمج الألياف والبيوكربون، حيث يظهر المركب C1 معدل امتصاص ماء يبلغ 0.134. تقلل معالجة السيلان بشكل فعال من امتصاص الماء عبر جميع المركبات. بشكل عام، تستنتج الدراسة أن التركيبة المثلى المكونة من 40% من ألياف صبار الأوبونتيا و3% من البيوكربون تعزز الخصائص الميكانيكية بينما تحسن أيضًا مقاومة التآكل والموصلية الحرارية، مما يجعل هذه المركبات الحيوية مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات.
DOI: https://doi.org/10.1007/s42452-024-05660-4
Publication Date: 2024-01-25
Author(s): L. Natrayan et al.
Primary Topic: Botanical Research and Applications
Overview
This research investigates the creation of sustainable biocomposites utilizing Opuntia cladode fiber and palm flower biochar, aimed at enhancing mechanical, thermal, and water absorption properties for industrial applications. The study identifies Composite C3 (comprising 57 wt.% resin, 40 wt.% fiber, and 3 wt.% biochar) as exhibiting superior mechanical characteristics, including a flexural strength of 217 MPa, tensile strength of 178 MPa, impact strength of 7.2 J, and hardness of 92 Shore-D. Notably, a 5% biochar concentration resulted in a minor decline in mechanical properties due to localized stress intensification and interfacial cracking. The optimal biochar content for maximizing mechanical performance was determined to be 3% by volume.
Thermal conductivity measurements indicated a direct correlation with biochar concentration, ranging from 0.36 W/mK for the lowest concentration to 0.49 W/mK for the highest, highlighting biochar’s role as a thermal conductor. Additionally, the study found that the water absorption rate increased with the addition of Opuntia fiber and biochar, with silane treatment effectively reducing water absorption across all composites. The findings suggest that these biocomposites hold significant potential for applications in electronics, aerospace, automotive, and packaging industries, addressing the growing demand for environmentally friendly materials.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the growing significance of biocomposite materials, which are recognized for their strength, lightweight nature, and biodegradability, making them suitable for various technical applications, particularly in the automobile and aerospace industries. Recent advancements have led to the development of innovative biomaterials utilizing renewable natural fibers, such as bagasse, jute, coir, and opuntia, which exhibit comparable mechanical properties to conventional fibers like abaca. Notably, opuntia fiber has a density of 1.54 g/cm³, similar to that of abaca, and its unique hierarchical structure enhances its mechanical and thermal properties when treated with silane solutions.
The research emphasizes the potential of biochar, derived from industrial and household waste, as a cost-effective and eco-friendly reinforcement material that improves the electrical, thermal, and optical properties of composites. Studies indicate that incorporating biochar can enhance mechanical characteristics, including flexural and tensile strength, while also providing electromagnetic interference (EMI) shielding properties. Despite the extensive exploration of various bio-fillers, the study identifies a gap in research concerning palm flower biochar. Therefore, this research aims to investigate the composite properties of opuntia cladode fiber combined with palm flower biochar, utilizing the silane treatment process and hand layup technique, with epoxy as the matrix. The findings are anticipated to have practical applications in sectors such as automotive, defense, and manufacturing.
Methods
In this study, the researchers utilized Araldite LY 556 epoxy resin, characterized by a density of 1.09 g/cm³ and a molecular weight of 190 g/mol. Both the epoxy resin and its hardener were sourced from HUNTSMAN India Pvt. Ltd. Additionally, Aminopropyltriethoxysilane was employed as a surface modifier, procured from Sigma Aldrich. Other secondary chemicals necessary for the research were obtained locally from Coimbatore, India. This selection of materials is critical for the experimental procedures and the subsequent analysis of the epoxy resin’s properties.
Discussion
The research investigates the preparation and properties of bio-composites made from Opuntia cladode fiber and palm flower biochar. The extraction process of the fiber involves careful removal of thorns, soaking, and mechanical separation, while biochar is produced through torrefaction at 250 °C. The composites are created using a silane treatment for the fibers and a hand lay-up technique, with varying percentages of biochar added. Mechanical testing reveals that composite C3, containing 40% fiber and 3% biochar, exhibits optimal mechanical properties, including a flexural strength of 217 MPa and a tensile strength of 178 MPa. However, increasing biochar content beyond 3% leads to a decline in mechanical performance due to stress concentration and interfacial cracking.
Thermal conductivity and water absorption characteristics are also assessed. The thermal conductivity improves with the addition of biochar, with values reaching 0.49 W/mK for composite C5. Conversely, water absorption increases with the incorporation of fiber and biochar, with composite C1 showing a water absorption rate of 0.134. Silane treatment effectively reduces water absorption across all composites. Overall, the study concludes that the optimal formulation of 40% Opuntia cladode fiber and 3% biochar enhances mechanical properties while also improving wear resistance and thermal conductivity, making these bio-composites suitable for various applications.