DOI: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2026.109139
تاريخ النشر: 2026-03-06
المؤلف: Jaewon Jang وآخرون
الموضوع الرئيسي: المركبات المدعمة بالألياف الطبيعية
نظرة عامة
تناقش ورقة البحث تطبيق البوليمرات المدعمة بالألياف (FRPs) في الهياكل البحرية، مع تسليط الضوء على المخاوف البيئية المرتبطة بالمواد التقليدية وإمكانية الألياف الطبيعية مثل القنب والكتان كبدائل مستدامة. جانب حاسم في تصميم FRP هو القياس الدقيق لمحتوى الألياف (Gc)، وهو أمر ضروري لضمان سلامة الهيكل. تنتقد الدراسة تقنيات القياس الحالية، وخاصة طريقة الاحتراق التقليدية، التي لا تناسب الألياف الطبيعية بسبب نقاط الاشتعال المنخفضة وامتصاص الرطوبة العالي. لمعالجة هذه التحديات، يقترح المؤلفون طريقة احتراق معدلة تشمل مرحلة تسخين مسبق ودرجات حرارة احتراق معدلة، مما يتيح تقييمًا دقيقًا لـ Gc والعيوب الداخلية في البوليمرات المدعمة بالألياف الطبيعية (NFRPs).
تظهر النتائج التجريبية أن الطريقة المعدلة تقيس بفعالية Gc ومحتوى الفراغات الداخلية في مركبات القنب والكتان، كاشفة عن معدلات امتصاص رطوبة كبيرة وارتفاع في حدوث العيوب الداخلية مقارنة بالبوليمرات المدعمة بألياف الزجاج التقليدية (GFRPs). تؤكد الدراسة أن التسخين المسبق أمر حاسم لتصحيح أخطاء القياس المتعلقة بالرطوبة وأن الطريقة المقترحة يمكن أن تقيم بشكل موثوق الخصائص الهيكلية لـ NFRPs. ومع ذلك، يعترف المؤلفون بالقيود، بما في ذلك الحاجة إلى مزيد من التحقق من ظروف الاختبار لمجموعات الألياف والراتنج المختلفة والتعقيد الذي تسببه المركبات الهجينة. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تحسين تقنيات القياس وتطوير معايير التصميم التي تتضمن العلاقات بين Gc المقاس بدقة، والعيوب الداخلية، والخصائص الميكانيكية، مما يعزز تطبيق NFRPs في الهياكل البحرية.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة الاستخدام المتزايد للبوليمرات المدعمة بالألياف (FRPs) في مختلف الصناعات، وخاصة في القطاع البحري، بسبب قوتها النوعية العالية، ومقاومتها للتآكل، وفعاليتها من حيث التكلفة. ومع ذلك، أثار التأثير البيئي لتصنيع FRP والتخلص منها مخاوف، حيث تتضمن هذه المواد غالبًا عمليات إنتاج كثيفة الطاقة وإطلاق المركبات العضوية المتطايرة (VOCs). اللوائح الحالية في الصناعة البحرية بشأن إعادة تدوير والتخلص من سفن FRP أقل صرامة مقارنة بتلك الموجودة في قطاع السيارات، مما يؤدي إلى ممارسات مثل الحرق والطمر، والتي يمكن أن تسبب ضررًا بيئيًا كبيرًا.
تسلط الورقة الضوء على ظهور البوليمرات المدعمة بالألياف الطبيعية (NFRPs) كبديل منخفض الكربون للـ FRPs التقليدية، باستخدام ألياف نباتية مثل القنب والكتان، والتي تعتبر أكثر استدامة وقابلة للتحلل البيولوجي. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات في تحديد محتوى الألياف بدقة وتقييم العيوب الداخلية في NFRPs، خاصة بسبب خصائص امتصاص الرطوبة. توضح المقدمة الحاجة إلى طريقة احتراق معدلة مصممة خصيصًا لتناسب الخصائص الفريدة للألياف الطبيعية لتحسين دقة قياس محتوى الألياف وتقييم العيوب الداخلية في NFRPs. ستستكشف الأقسام التالية من الورقة طرق القياس الحالية، وتحليل التعديلات المقترحة، وتقديم النتائج التجريبية التي تقارن الطريقة المعدلة بالأساليب القياسية.
طرق
في هذا القسم، يستعرض المؤلفون الطرق القياسية لقياس معدل إطلاق الطاقة الحرجة ($G_c$) والعيوب الداخلية في هياكل السفن المصنوعة من البوليمرات المدعمة بالألياف (FRP)، بما في ذلك البوليمرات المدعمة بالألياف الطبيعية (NFRPs) المصنوعة من القنب والكتان. تشمل التقنيات الرئيسية التي تم مناقشتها لتحديد $G_c$ حسابات قائمة على القواعد، والقياس المباشر، والقياس المباشر بمساعدة الهيدرومتر، وطريقة الاحتراق. تقدر طريقة الحساب القائم على القواعد $G_c$ باستخدام سمك الطبقات وكثافات الألياف/الراتنج، بينما يتضمن القياس المباشر وزن عينات الطبقات وحساب الكثافة النسبية. تعزز الطريقة المعتمدة على الهيدرومتر الدقة من خلال استخدام هيدرومتر لقياس الكثافة. تُعتبر طريقة الاحتراق، التي تقيم نسبة الألياف إلى الراتنج من خلال إزالة الراتنج، فعالة ولكنها غير مناسبة لـ NFRPs بسبب نقطة الاشتعال المنخفضة للألياف الطبيعية.
بالإضافة إلى ذلك، يبرز القسم تقنيات مختلفة للكشف عن العيوب الداخلية، مثل التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية (CT)، والاختبار بالموجات فوق الصوتية، والتقطيع التسلسلي، واختبار الاحتراق. بينما يوفر CT دقة عالية، إلا أنه مكلف ويستغرق وقتًا طويلاً. يتطلب الاختبار بالموجات فوق الصوتية عينات متعددة للحصول على بيانات موثوقة، ويعتبر التقطيع التسلسلي كثيف العمالة. يُعترف باختبار الاحتراق لسرعته وعمليته في قياس الفراغات الداخلية و$G_c$ في وقت واحد، مما يجعله مفيدًا لتقييم جودة المواد وموثوقية الهيكل. ومع ذلك، نظرًا للخصائص الحرارية للألياف الطبيعية، يتم اقتراح طريقة احتراق معدلة لقياس $G_c$ والعيوب الداخلية بدقة في طبقات NFRP، مما يعالج قيود الطرق التقليدية.
مناقشة
تركز قسم المناقشة في ورقة البحث على طريقة الاحتراق المعدلة لقياس دقة نسبة وزن الألياف ($G_c$) والعيوب الداخلية في البوليمرات المدعمة بالألياف الطبيعية (NFRPs). تسلط الدراسة الضوء على قيود طريقة الاحتراق التقليدية ASTM D3171-15 عند تطبيقها على NFRPs، خاصة بسبب ارتفاع امتصاص الرطوبة ونقاط الاشتعال المنخفضة للألياف الطبيعية مثل القنب والكتان. لمعالجة هذه التحديات، قدم الباحثون خطوة تسخين مسبق لإزالة الرطوبة الممتصة وضبط درجات حرارة الاحتراق لمنع تدهور الألياف، مما يسمح بحسابات أكثر دقة لـ $G_c$.
تم التحقق من صحة طريقة الاحتراق المعدلة من خلال تحليل مقارن ضد خمس تقنيات قياس مختلفة، بما في ذلك حسابات القواعد والقياسات المعتمدة على الهيدرومتر. أشارت النتائج إلى أن الطريقة المعدلة أخذت في الاعتبار الخصائص الفريدة للألياف الطبيعية، مما أدى إلى قياسات موثوقة لـ $G_c$ وحجوم العيوب الداخلية. من الجدير بالذكر أن الدراسة وجدت أن طبقات NFRP أظهرت أحجام فراغات أعلى مقارنة بالبوليمرات المدعمة بألياف الزجاج التقليدية (GFRPs)، مما يبرز الحاجة إلى تقييم دقيق لجودة الطبقات في تطبيقات مثل هياكل السفن. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية تكييف طرق الاختبار لتناسب الخصائص المحددة للألياف الطبيعية في المواد المركبة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2026.109139
Publication Date: 2026-03-06
Author(s): Jaewon Jang et al.
Primary Topic: Natural Fiber Reinforced Composites
Overview
The research paper discusses the application of fiber-reinforced polymers (FRPs) in marine structures, highlighting the environmental concerns associated with traditional materials and the potential of natural fibers like hemp and flax as sustainable alternatives. A critical aspect of FRP design is the accurate measurement of fiber content (Gc), which is essential for ensuring structural integrity. The study critiques existing measurement techniques, particularly the conventional burn-off method, which is unsuitable for natural fibers due to their low ignition points and high moisture absorption. To address these challenges, the authors propose a modified burn-off method that includes a pre-heating stage and adjusted combustion temperatures, enabling accurate assessment of Gc and internal defects in natural fiber-reinforced polymers (NFRPs).
Experimental results demonstrate that the modified method effectively quantifies Gc and internal void content in hemp and flax composites, revealing significant moisture absorption rates and a higher incidence of internal defects compared to conventional glass-fiber-reinforced polymers (GFRPs). The study confirms that pre-heating is crucial for correcting measurement errors related to moisture and that the proposed method can reliably evaluate the structural properties of NFRPs. However, the authors acknowledge limitations, including the need for further verification of test conditions for different fiber-resin combinations and the complexity introduced by hybrid composites. Future research directions include refining measurement techniques and developing design criteria that incorporate the relationships between accurately measured Gc, internal defects, and mechanical properties, thereby advancing the application of NFRPs in marine structures.
Introduction
The introduction of the paper discusses the increasing use of fiber-reinforced polymers (FRPs) in various industries, particularly in the marine sector, due to their high specific strength, corrosion resistance, and cost-effectiveness. However, the environmental impact of FRP manufacturing and disposal has raised concerns, as these materials often involve energy-intensive production processes and the release of volatile organic compounds (VOCs). Current regulations in the marine industry regarding the recycling and disposal of FRP vessels are less stringent compared to those in the automotive sector, leading to practices such as incineration and landfilling, which can cause significant environmental harm.
The paper highlights the emergence of natural-fiber-reinforced polymers (NFRPs) as a low-carbon alternative to traditional FRPs, utilizing plant-based fibers like hemp and flax, which are more sustainable and biodegradable. However, challenges remain in accurately determining the fiber content and assessing internal defects in NFRPs, particularly due to their moisture absorption properties. The introduction outlines the need for a modified burn-off method tailored to the unique characteristics of natural fibers to improve the accuracy of fiber content measurement and internal defect assessment in NFRPs. The subsequent sections of the paper will explore existing measurement methods, analyze the proposed modifications, and present experimental results comparing the modified method with standard approaches.
Methods
In this section, the authors review standard methods for measuring the critical energy release rate ($G_c$) and internal defects in fiber-reinforced polymer (FRP) ship structures, including natural fiber-reinforced polymers (NFRPs) made from hemp and flax. The primary techniques discussed for determining $G_c$ include rule-based calculations, direct measurement, hydrometer-assisted direct measurement, and the burn-off method. The rule-based calculation method estimates $G_c$ using laminate thickness and fiber/resin densities, while direct measurement involves weighing laminate specimens and calculating relative density. The hydrometer-assisted method enhances accuracy by using a hydrometer for density measurement. The burn-off method, which assesses the fiber-to-resin ratio by removing the resin, is noted for its effectiveness but is unsuitable for NFRPs due to the low ignition point of natural fibers.
Additionally, the section highlights various techniques for internal defect detection, such as X-ray computed tomography (CT), ultrasonic testing, serial sectioning, and the burn-off test. While CT provides high accuracy, it is costly and time-consuming. Ultrasonic testing requires multiple samples for reliable data, and serial sectioning is labor-intensive. The burn-off test is recognized for its speed and practicality in measuring internal voids and $G_c$ simultaneously, making it advantageous for assessing material quality and structural reliability. However, due to the thermal characteristics of natural fibers, a modified burn-off method is proposed to accurately quantify $G_c$ and internal defects in NFRP laminates, addressing the limitations of conventional methods.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the modified burn-off method for accurately measuring the fiber weight fraction ($G_c$) and internal defects in natural fiber-reinforced polymers (NFRPs). The study highlights the limitations of the conventional ASTM D3171-15 burn-off method when applied to NFRPs, particularly due to the high moisture absorption and low ignition points of natural fibers like hemp and flax. To address these challenges, the researchers introduced a pre-heating step to remove absorbed moisture and adjusted the combustion temperatures to prevent fiber degradation, thereby allowing for more accurate $G_c$ calculations.
The modified burn-off method was validated through a comparative analysis against five different measurement techniques, including rule calculations and hydrometer-based measurements. The results indicated that the modified method effectively accounted for the unique properties of natural fibers, leading to reliable measurements of $G_c$ and internal defect volumes. Notably, the study found that NFRP laminates exhibited higher void volumes compared to traditional glass fiber-reinforced polymers (GFRPs), emphasizing the need for careful evaluation of laminate quality in applications such as ship structures. Overall, the findings underscore the importance of adapting testing methods to accommodate the specific characteristics of natural fibers in composite materials.