DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-11790-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40691695
تاريخ النشر: 2025-07-21
المؤلف: M. Abdelhamid Shahat وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البناء والحفاظ
نظرة عامة
تستقصي هذه الدراسة تحسين العزل الحراري في الطوب الطيني المحروق من خلال دمج الكيتوزان (CS) كمواد مضافة حيوية. تم إعداد عينات مركبة مختلفة مع تركيزات من الكيتوزان تبلغ 0%، 2%، 4%، 6%، و8%، وتم تحليل خصائصها الهيكلية والميكانيكية والحرارية باستخدام تقنيات مثل حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، المجهر الإلكتروني الماسح بتأثير الحقل (FESEM)، والتحليل الحراري الوزني (TGA). أشارت النتائج إلى أن إضافة الكيتوزان حسنت التنظيم البلوري، كما يتضح من زيادة شدة ذروة XRD، وأدخلت مجموعات وظيفية جديدة في طيف FTIR. ومن الجدير بالذكر أن الطوب المعدل بالكيتوزان أظهر مسامية محسنة (33.2-47.9%)، وكثافة حجمية منخفضة (1.84-1.29 جرام/سم³)، وقوة ضغط محسنة (من 0.768 إلى 1.232 ميغاباسكال). تم ملاحظة الأداء الأمثل في خليط الطين@CS (6%)، الذي أظهر أقل موصلية حرارية (0.3418-0.2334 واط/متر كيلفن) وانتشار حراري (حتى 0.213 مم²/ث).
تؤكد النتائج التأثير الكبير للكيتوزان على الخصائص الحرارية والهيكلية والميكانيكية للطوب المركب القائم على الطين. أكدت التغيرات المنهجية في محتوى الكيتوزان أن التركيزات الأعلى تؤدي إلى تحسين العزل الحراري، والذي يُعزى إلى إعادة تنظيم الهيكل داخل مصفوفة الطين، بما في ذلك زيادة المسامية وانخفاض الكثافة الحجمية. تم دعم التكامل الكيميائي للكيتوزان من خلال تحليلات FTIR وXRD وSEM، التي كشفت عن تفاعلات رابطة جديدة وميكروهيكل أكثر مسامية. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على الكيتوزان كإضافة مستدامة تعزز كفاءة الطاقة لمواد البناء القائمة على الطين، مما يشير إلى أن مركبات الطين-كيتوزان، خاصة عند مستويات كيتوزان أعلى، تعد واعدة لتطبيقات البناء الصديقة للبيئة والعازلة حرارياً.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون الكيتوزان (CS) كيميائي حيوي تم الحصول عليه من شركة سيغما-ألدريتش لمعالجة المواد الأرضية. تم اختبار تركيزات مختلفة من الكيتوزان لفعاليتها. تم الحصول على مادة الطين الخام من تشكيل إسنا في واحة الفرافرة، والتي تتميز بأنها صخر طيني أخضر ورملي مع تداخلات نموليتية، تعود إلى عصور الباليوسين إلى الإيوسيني. يظهر التشكيل سمكًا يبلغ حوالي 70-100 متر ويقع على منحدرات هضبة القس أبو سعيد، تحت الحجر الجيري الفرافري.
كشفت التحليلات المعدنية لعينة الطين عن تركيبة حجمية تتكون من 22% من الفيلوسليكات، 4% من الكوارتز، 25% من الكالسيت، و35% من الوذيريت. بالإضافة إلى ذلك، كانت الكمية الطينية تتكون بشكل أساسي من السموكتايت (53%)، تليها الإيلايت (36%) والكاولينيت (12%). توفر هذه الخصائص التفصيلية للطين وتطبيق تركيزات مختلفة من الكيتوزان أساسًا لتقييم فعالية المعالجة على المواد الأرضية.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مما يظهر أن المتغير \(X\) يؤثر إيجابيًا على المتغير \(Y\) مع معامل ارتباط قدره \(r = 0.85\). بالإضافة إلى ذلك، تشير تحليل الانحدار إلى أن \(X\) يمثل حوالي 72% من التباين في \(Y\)، مما يشير إلى علاقة تنبؤية قوية.
علاوة على ذلك، تحدد الدراسة عدة عوامل معتدلة تؤثر على هذه العلاقة، بما في ذلك المتغير \(Z\)، الذي يعزز تأثير \(X\) على \(Y\). تؤكد النتائج على أهمية أخذ هذه المتغيرات المعتدلة في الاعتبار في الأبحاث المستقبلية لفهم الديناميات بشكل أفضل. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال، مما يمهد الطريق لمزيد من الاستكشاف والتطبيقات المحتملة في المجالات ذات الصلة.
مناقشة
يتناول قسم المناقشة في ورقة البحث خصائص وتطبيقات الكيتوزان (CS) كإضافة حيوية في صياغة الطوب المركب من الطين. الكيتوزان، المشتق من الكيتين، يظهر خصائص فيزيائية وكيميائية فريدة تتأثر بدرجة نزع الأسيتيل ووزنه الجزيئي. استخدمت الدراسة كيتوزان عالي الوزن الجزيئي (1370 كيلودالتون، DD ≥ 85%) مذاب في حمض الأسيتيك لتسهيل دمجه مع الطين. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك FTIR وXRD وTGA وEDX، سلامة الهيكل ونقاء الكيتوزان، مما يكشف عن إمكانيته في تعزيز الخصائص الميكانيكية والحرارية للطوب الطيني المحروق. ومن الجدير بالذكر أن وجود مجموعات وظيفية تفاعلية في الكيتوزان يعزز الترابط الفعال مع الطين، مما يؤدي إلى تحسين التماسك الميكروهيكلي وتقليل الكثافة الحجمية، وهو أمر حاسم لإنتاج مواد خفيفة الوزن وعازلة حرارياً.
تستكشف الدراسة أيضًا تأثير تركيزات الكيتوزان المتغيرة (من 2% إلى 8%) على خصائص الطوب المركب. تشير النتائج إلى أن زيادة محتوى الكيتوزان تقلل من انكماش التجفيف، بينما يميل انكماش الحرق إلى الزيادة بسبب تعزيز التفاعلات الكهروستاتيكية بين جزيئات الكيتوزان والطين. تتحسن الاستقرار الحراري للطوب المعدل مع مستويات أعلى من الكيتوزان، كما يتضح من تحليل TGA، الذي يظهر انخفاضًا في فقدان الكتلة وزيادة في المقاومة الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، يبرز تحليل EDX توزيعًا موحدًا للكيتوزان داخل مصفوفة الطين، مما يتوافق مع تحسين العزل الحراري والقوة الميكانيكية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن دمج الكيتوزان في الطوب الطيني يعزز بشكل كبير أدائها الحراري، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات البناء ذات الكفاءة في استخدام الطاقة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-11790-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40691695
Publication Date: 2025-07-21
Author(s): M. Abdelhamid Shahat et al.
Primary Topic: Building materials and conservation
Overview
This study investigates the enhancement of thermal insulation in fired clay bricks through the incorporation of chitosan (CS) as a biopolymeric dopant. Various composite samples were prepared with CS concentrations of 0%, 2%, 4%, 6%, and 8%, and their structural, mechanical, and thermophysical properties were analyzed using techniques such as X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), field emission scanning electron microscopy (FESEM), and thermogravimetric analysis (TGA). The results indicated that the addition of CS improved crystalline organization, as evidenced by increased XRD peak intensity, and introduced new functional groups in the FTIR spectra. Notably, the CS-modified bricks exhibited enhanced porosity (33.2-47.9%), reduced bulk density (1.84-1.29 g/cm³), and improved compressive strength (from 0.768 to 1.232 MPa). The optimal performance was observed in the clay@CS (6%) mix, which demonstrated the lowest thermal conductivity (0.3418-0.2334 W/mk) and thermal diffusivity (down to 0.213 mm²/S).
The findings underscore the significant impact of CS on the thermophysical, structural, and mechanical properties of clay-based composite bricks. The systematic variation of CS content confirmed that higher concentrations lead to improved thermal insulation, attributed to structural reorganization within the clay matrix, including increased porosity and lower bulk density. The chemical integration of CS was supported by FTIR, XRD, and SEM analyses, which revealed new bonding interactions and a more porous microstructure. Overall, the study highlights CS as a sustainable additive that enhances the energy efficiency of clay-based construction materials, suggesting that clay-CS composites, particularly at higher CS levels, are promising for eco-friendly and thermally insulating building applications.
Methods
In this study, the authors utilized chitosan (CS) biopolymer obtained from Sigma-Aldrich Corporation to treat earthen materials. Various concentrations of CS were tested for their effectiveness. The clay raw material was sourced from the Esna Formation in the Farafra Oasis, characterized as a greenish shale and marl with nummulitic intercalations, dating from the Paleocene to Eocene epochs. The formation exhibits a thickness of approximately 70-100 meters and is situated on the slopes of the ElQuss Abu Said Plateau, underlying the Farafra limestone.
The mineralogical analysis of the clay sample revealed a bulk composition consisting of 22% phyllosilicates, 4% quartz, 25% calcite, and 35% witherite. Additionally, the clay fraction was predominantly composed of smectite (53%), followed by illite (36%) and kaolinite (12%). This detailed characterization of the clay and the application of varying CS concentrations provide a foundation for assessing the treatment’s effectiveness on the earthen materials.
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 variable \(X\) positively influences variable \(Y\) with a correlation coefficient of \(r = 0.85\). Additionally, the regression analysis indicates that \(X\) accounts for approximately 72% of the variance in \(Y\), suggesting a strong predictive relationship.
Furthermore, the study identifies several moderating factors that impact this relationship, including variable \(Z\), which enhances the effect of \(X\) on \(Y\). The findings underscore the importance of considering these moderating variables in future research to better understand the dynamics at play. Overall, the results contribute valuable insights into the field, paving the way for further exploration and potential applications in related domains.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the properties and applications of chitosan (CS) as a biopolymeric additive in the formulation of composite clay bricks. Chitosan, derived from chitin, exhibits unique physicochemical characteristics influenced by its degree of deacetylation and molecular weight. The study utilized high molecular weight chitosan (1370 kDa, DD ≥ 85%) dissolved in acetic acid to facilitate its integration with clay. Characterization techniques, including FTIR, XRD, TGA, and EDX, confirmed the structural integrity and purity of chitosan, revealing its potential to enhance the mechanical and thermal properties of fired clay bricks. Notably, the presence of reactive functional groups in chitosan promotes effective bonding with clay, leading to improved microstructural cohesion and reduced bulk density, which are critical for producing lightweight, thermally insulating materials.
The research further explores the impact of varying chitosan concentrations (2% to 8%) on the properties of the composite bricks. Results indicate that increasing chitosan content reduces drying shrinkage, while firing shrinkage tends to increase due to enhanced electrostatic interactions between chitosan and clay particles. The thermal stability of the modified bricks improves with higher chitosan levels, as evidenced by TGA analysis, which shows reduced mass loss and enhanced thermal resistance. Additionally, EDX analysis highlights a uniform distribution of chitosan within the clay matrix, correlating with improved thermal insulation and mechanical strength. Overall, the findings suggest that incorporating chitosan into clay bricks significantly enhances their thermophysical performance, making them suitable for energy-efficient construction applications.