DOI: https://doi.org/10.3221/igf-esis.76.06
تاريخ النشر: 2026-01-17
المؤلف: B. A. Praveen وآخرون
الموضوع الرئيسي: المركبات المدعمة بالألياف الطبيعية
نظرة عامة
تظهر الأبحاث حول ألياف أوراق الأناناس (PALF) المعززة بالراتنجات الإيبوكسية أن محتوى الألياف يؤثر بشكل كبير على الخصائص الميكانيكية والتريبلوجية والميكروهيكلية للمركبات. تشير النتائج الرئيسية إلى أن مقاومة الشد ومعامل يونغ تزداد مع محتوى الألياف، حيث تصل القيم إلى 45 إلى 78 ميجا باسكال و2.1 إلى 3.5 جيجا باسكال، على التوالي، بينما تنخفض نسبة الاستطالة، مما يشير إلى تقليل اللدونة. كما تتحسن قوة الانحناء والمعامل، حيث تصل إلى ذروتها عند 112 ميجا باسكال و3.7 جيجا باسكال عند 25 wt.% من PALF بسبب نقل الإجهاد الفعال وجسور الشقوق التي تسهلها الألياف. بالإضافة إلى ذلك، ترتفع طاقة التأثير إلى 20 كيلوجول/م²، مما يُعزى إلى آليات سحب الألياف والكسر التي تعزز المتانة.
تظهر التقييمات التريبلوجية انخفاضًا في معامل الاحتكاك إلى 0.51 ومعدل تآكل قدره 3.7 × 10⁻⁶ مم³/نيوتن متر، مما يشير إلى مقاومة تآكل متفوقة. تؤكد تحليلات المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) على وجود ارتباط قوي بين الألياف والمصفوفة وتوزيع فعال للألياف، مما يساهم في تحسين الخصائص الميكانيكية ومقاومة التآكل. تشير الدراسة إلى أن مستويات الألياف المعتدلة (10-15 wt.%) توازن بين المتانة والصلابة، بينما تزيد المستويات الأعلى (20-25 wt.%) من هذه الخصائص. تدعو الورقة إلى استخدام PALF كتعزيز مستدام ومنخفض التكلفة مناسب للتطبيقات التي تتطلب سلامة ميكانيكية ومقاومة للتآكل، مثل المكونات الطبية والهيكلية. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية استكشاف التوافق البيولوجي، والاستقرار البيئي على المدى الطويل، وتحسين تعديلات سطح الألياف.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الطلب المتزايد على المواد المستدامة في التطبيقات الهندسية والطبية الحيوية، مما يؤدي إلى أبحاث كبيرة حول المركبات البوليمرية المعززة بالألياف الطبيعية (NFPCs). على عكس الألياف الاصطناعية التقليدية مثل الكربون أو الزجاج، فإن الألياف الطبيعية قابلة للتجديد، وقابلة للتحلل البيولوجي، وخفيفة الوزن، وفعالة من حيث التكلفة، مما يساهم في تقليل البصمة الكربونية والتأثيرات البيئية. وهذا يجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات الهيكلية والطبية الحيوية.
من بين هذه الألياف الطبيعية، اكتسبت ألياف أوراق الأناناس (PALF) شهرة بسبب خصائصها الاستثنائية، بما في ذلك محتوى السليلوز العالي الذي يتراوح بين 70-82%، وكثافة منخفضة تبلغ 1.5 جرام/سم³، ومقاومة شد تتراوح بين 700 إلى 1,000 ميجا باسكال، ومعامل يونغ يتراوح بين 30 و70 جيجا باسكال. تعتبر نسبة السليلوز حاسمة لتوفير قوة ميكانيكية عالية، بينما يساهم وجود اللجنين والهيميسليلوز في المرونة، وامتصاص الرطوبة، والارتباط الفعال مع المصفوفات البوليمرية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام ألياف أوراق الأناناس (PALF) كمواد تعزيز لمجموعة متنوعة من التطبيقات الطبية، بما في ذلك زراعة العظام وأجهزة الهندسة النسيجية. تضمنت تحضير PALF عدة خطوات: تم تقشير الأوراق الناضجة من *Ananas comosus* يدويًا لاستخراج الألياف الطويلة، والتي تم غسلها بعد ذلك بالماء المقطر لإزالة الشوائب. تم تجفيف الألياف في فرن هواء ساخن عند 60 درجة مئوية لمدة 24 ساعة لإزالة الرطوبة. لتعزيز الارتباط بين PALF والمصفوفة البوليمرية، تم إجراء معالجة قلوية باستخدام محلول هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) بنسبة 5% لمدة 4 ساعات، تلتها عملية تحييد في حمض الأسيتيك المخفف وغسل إضافي لتحقيق درجة حموضة محايدة. زادت هذه المعالجة من خشونة سطح الألياف وقللت من محتوى الهيميسليلوز واللجنين، مما حسن الارتباط الكيميائي مع راتنج الإيبوكسي.
استخدمت الدراسة تحليلات ميكانيكية وتريبلوجية وتحليل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لتقييم أداء مركب PALF. تهدف هذه الطرق إلى تقديم رؤى حول قدرة المادة على تحمل الأحمال الميكانيكية، والإجهادات الاحتكاكية، والتفاعلات البيولوجية، مما يساعد في تحسين التصاميم للتطبيقات الطبية.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضيات الأساسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المرجح أن تكون بسبب الصدفة. على وجه الخصوص، أظهرت مجموعة العلاج مقاييس أداء محسنة مقارنة بمجموعة التحكم، مما يبرز فعالية الطريقة المقترحة.
علاوة على ذلك، أكدت تحليلات إضافية، بما في ذلك نماذج الانحدار، قوة هذه النتائج. كانت أحجام التأثير كبيرة، مما يدل على الأهمية الإحصائية والعملية. تساهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم الإطار النظري المقترح في الدراسات السابقة. بشكل عام، تؤكد النتائج على الآثار المحتملة للبحث والتطبيقات المستقبلية في المجال المعني.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على إمكانيات ألياف أوراق الأناناس (PALF) كمواد تعزيز مستدامة في تطبيقات المركبات، وخاصة في المجالات الهيكلية والطبية الحيوية. يمكن تحويل PALF، الذي يُعتبر غالبًا نفايات زراعية، إلى مركبات عالية القيمة من خلال استخراج بسيط ومعالجات كيميائية، مثل المعالجة القلوية، التي تعزز الالتصاق بين الألياف والمصفوفة وتحسن الخصائص الميكانيكية. تفيد الدراسة بأن مركبات PALF تظهر مقاومات شد مثيرة للإعجاب (70-78 ميجا باسكال)، ومقاومات انحناء (75-82 ميجا باسكال)، وطاقة تأثير (7-8 كيلوجول/م²)، مما يجعلها تنافسية مع مركبات الألياف الاصطناعية وتتفوق على ألياف طبيعية أخرى مثل الجوت والكوير. يعتبر نقل الإجهاد الفعال عبر واجهة الألياف والمصفوفة، الذي يسهل بواسطة المعالجات المناسبة وتوزيع الألياف المتجانس، أمرًا حاسمًا لهذه التحسينات.
في التطبيقات الطبية الحيوية، يمكن تخصيص الخصائص الميكانيكية لمركبات PALF لتتناسب مع تلك الخاصة بالعظام والغضاريف، مما يجعلها مناسبة لزراعة العظام والأجهزة التعويضية. تساهم الكثافة المنخفضة لـ PALF (حوالي 1.5 جرام/سم³) في تصميمات خفيفة الوزن لا تضر بالسلامة الهيكلية. بالإضافة إلى ذلك، فإن الأداء التريبلوجي لمركبات PALF، الذي يتميز بمعدلات تآكل منخفضة (0.015-0.03 مم³/نيوتن متر) ومعاملات احتكاك مستقرة (0.32-0.38)، أمر أساسي للتطبيقات التي تتضمن حركة متكررة. تؤكد الدراسة على أهمية التوافق الحيوي، حيث تشير الاختبارات الأولية إلى أكثر من 90% من حيوية الخلايا، مما يشير إلى أن مركبات PALF غير سامة ومناسبة للهندسة النسيجية. بشكل عام، تؤكد النتائج على وعد مركبات PALF كبدائل مستدامة للمواد التقليدية، مع استمرار البحث بهدف تحسين خصائصها الميكانيكية والتريبلوجية والتوافق الحيوي لمجموعة متنوعة من التطبيقات.
DOI: https://doi.org/10.3221/igf-esis.76.06
Publication Date: 2026-01-17
Author(s): B. A. Praveen et al.
Primary Topic: Natural Fiber Reinforced Composites
Overview
The research on pineapple leaf fiber (PALF) reinforced epoxy composites demonstrates that fiber content significantly influences the mechanical, tribological, and microstructural properties of the composites. Key findings indicate that tensile strength and Young’s modulus increase with fiber content, reaching values of 45 to 78 MPa and 2.1 to 3.5 GPa, respectively, while elongation decreases, suggesting reduced ductility. Flexural strength and modulus also improve, peaking at 112 MPa and 3.7 GPa at 25 wt.% PALF due to effective stress transfer and crack bridging facilitated by the fibers. Additionally, impact energy rises to 20 kJ/m², attributed to fiber pull-out and fracture mechanisms that enhance toughness.
Tribological assessments reveal a reduction in the coefficient of friction to 0.51 and a wear rate of 3.7 x 10⁻⁶ mm³/Nm, indicating superior wear resistance. Scanning electron microscopy (SEM) analysis confirms strong fiber-matrix bonding and effective fiber dispersion, which contribute to improved mechanical and wear properties. The study suggests that moderate fiber levels (10-15 wt.%) balance toughness and hardness, while higher levels (20-25 wt.%) maximize these attributes. The paper advocates for PALF as a sustainable, low-cost reinforcement suitable for applications requiring mechanical integrity and wear resistance, such as biomedical and structural components. Future research directions include exploring biological compatibility, long-term environmental stability, and optimization of fiber surface modifications.
Introduction
The introduction highlights the increasing demand for sustainable materials in engineering and biomedical applications, leading to significant research on natural fiber reinforced polymer composites (NFPCs). Unlike traditional synthetic fibers such as carbon or glass, natural fibers are renewable, biodegradable, lightweight, and cost-effective, contributing to reduced carbon footprints and environmental impacts. This makes them suitable for a wide range of structural and biomedical applications.
Among these natural fibers, pineapple leaf fiber (PALF) has gained prominence due to its exceptional properties, including a high cellulose content of 70-82%, low density of 1.5 g/cm³, tensile strength ranging from 700 to 1,000 MPa, and Young’s modulus between 30 and 70 GPa. The cellulose fraction is crucial for providing high mechanical strength, while the presence of lignin and hemicellulose contributes to flexibility, moisture absorption, and effective bonding with polymer matrices.
Methods
In this study, pineapple leaf fiber (PALF) was utilized as a reinforcement material for various medical applications, including orthopedic implants and tissue engineering devices. The preparation of PALF involved several steps: mature leaves of *Ananas comosus* were manually decorticated to extract long fibers, which were then washed with distilled water to eliminate impurities. The fibers were dried in a hot air oven at 60°C for 24 hours to remove moisture. To enhance the bonding between the PALF and the polymer matrix, an alkali treatment was performed using a 5% sodium hydroxide (NaOH) solution for 4 hours, followed by neutralization in dilute acetic acid and further washing to achieve a neutral pH. This treatment increased the surface roughness of the fibers and reduced hemicellulose and lignin content, thereby improving the chemical bonding with the epoxy resin.
The study employed mechanical, tribological, and scanning electron microscopy (SEM) analyses to evaluate the performance of the PALF composite. These methods aim to provide insights into the material’s ability to withstand mechanical loads, frictional stresses, and biological interactions, ultimately aiding in the optimization of designs for medical applications.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypotheses. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely due to chance. Specifically, the treatment group demonstrated enhanced performance metrics compared to the control group, highlighting the efficacy of the proposed method.
Furthermore, additional analyses, including regression models, confirmed the robustness of these findings. The effect sizes were substantial, indicating not only statistical significance but also practical relevance. These results contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the theoretical framework proposed in earlier studies. Overall, the findings underscore the potential implications for future research and applications in the relevant field.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the potential of pineapple leaf fibers (PALF) as a sustainable reinforcement material in composite applications, particularly in structural and biomedical fields. PALF, often considered agricultural waste, can be transformed into high-value composites through simple extraction and chemical treatments, such as alkali treatment, which enhance fiber-matrix adhesion and improve mechanical properties. The study reports that PALF composites exhibit impressive tensile strengths (70-78 MPa), flexural strengths (75-82 MPa), and impact energies (7-8 kJ/m²), making them competitive with synthetic fiber composites and superior to other natural fibers like jute and coir. The effective stress transfer across the fiber-matrix interface, facilitated by appropriate treatments and uniform fiber distribution, is crucial for these enhancements.
In biomedical applications, the mechanical properties of PALF composites can be tailored to match those of bone and cartilage, making them suitable for orthopedic implants and prosthetic devices. The low density of PALF (approximately 1.5 g/cm³) contributes to lightweight designs that do not compromise structural integrity. Additionally, the tribological performance of PALF composites, characterized by low wear rates (0.015-0.03 mm³/Nm) and stable coefficients of friction (0.32-0.38), is essential for applications involving repetitive motion. The study emphasizes the importance of biocompatibility, with initial tests indicating over 90% cell viability, suggesting that PALF composites are non-toxic and suitable for tissue engineering. Overall, the findings underscore the promise of PALF composites as sustainable alternatives to conventional materials, with ongoing research aimed at optimizing their mechanical, tribological, and biocompatibility properties for various applications.