DOI: https://doi.org/10.3390/polym18020275
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41599570
تاريخ النشر: 2026-01-20
المؤلف: Rahmat Doni Widodo وآخرون
الموضوع الرئيسي: المركبات المدعمة بالألياف الطبيعية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في السلوك الميكانيكي للمواد المركبة الهجينة المستدامة المصنوعة من الإيبوكسي المدعم بألياف الزجاج (G) وألياف البامبو (B) ولافتات مرنة (F)، مع تضمين تسلسلات تكديس مختلفة ومحتويات من حشو كربونات الكالسيوم (CaCO₃) (0 و1 wt.%). تم إنتاج ما مجموعه تسع تكوينات لامينية وخضعت للاختبار الانحنائي واختبار الصدمات لتقييم أدائها الميكانيكي. تكشف النتائج أن كل من تسلسل التكديس وإضافة الحشوات المعدنية تؤثر بشكل كبير على الخصائص الميكانيكية لهذه المركبات.
من الجدير بالذكر أن تكوين اللامينيت الذي يهيمن عليه البامبو G/B/B/B/G مع 1 wt.% CaCO₃ أظهر أعلى قوة انحناء بلغت 191 ميجا باسكال ومقاومة للصدمات بلغت 0.766 جول/مم²، مما يشير إلى تأثير تآزري بين ترتيب التعزيزات وتقوية المصفوفة بسبب CaCO₃. على العكس من ذلك، أظهر تكوين G/F/B/F/G بدون حشو أدنى أداء. تجاوزت جميع المركبات الهجينة الخصائص الميكانيكية للإيبوكسي النقي، مما يبرز إمكانيات لامينات البامبو-لافتة مرنة مع حشو CaCO₃ للتطبيقات المستدامة. تدعم هذه الدراسة الهدف 12 من أهداف التنمية المستدامة من خلال الدعوة إلى ممارسات فعالة من حيث الموارد من خلال استخدام المواد المعاد تدويرها والطبيعية في تصنيع المركبات.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث تطور وأهمية المركبات البوليمرية، التي اكتسبت زخمًا في مختلف الصناعات بسبب طبيعتها الخفيفة وخصائصها الميكانيكية المتفوقة مقارنة بالبوليمرات الأحادية. لقد ظهرت إضافة الألياف المتجددة، والبوليمرات المعاد تدويرها، والحشوات المعدنية كبديل مستدام للمواد الاصطناعية بالكامل، مدفوعة بالاهتمامات البيئية. يتم تسليط الضوء على الألياف الطبيعية اللجنوسليلوزية، وخاصة البامبو، لخصائصها المفيدة مثل الكثافة المنخفضة، والقوة النوعية العالية، وقابلية التحلل البيولوجي، مما يجعلها مناسبة للتعزيز في المركبات. بالإضافة إلى ذلك، تتناول الورقة إمكانية استخدام نفايات البلاستيك، وخاصة من اللافتات الترويجية الخارجية، كطبقات داخلية في المركبات البوليمرية لتعزيز الأداء الميكانيكي مع تقليل نفايات المدافن.
تؤكد الدراسة على هجين المواد التعزيزية المختلفة، بما في ذلك الألياف الطبيعية، والأوراق المعاد تدويرها، وألياف الزجاج، لتحقيق توازن بين الأداء الميكانيكي، والمتانة، وتقليل الأثر البيئي. ترتيب هذه الطبقات أمر حاسم، حيث يؤثر على توزيع الإجهاد وأنماط الفشل تحت الحمل الميكانيكي. علاوة على ذلك، يتم مناقشة إضافة الحشوات غير العضوية مثل كربونات الكالسيوم (CaCO₃) لدورها في تعزيز الصلابة وتعديل الخصائص الريولوجية للمركب. ومع ذلك، فإن فعالية CaCO₃ تعتمد على عوامل مثل حجم الجسيمات والتشتت. تختتم المقدمة بالإشارة إلى ندرة الدراسات المنهجية التي تستكشف التأثيرات المشتركة للبامبو، ولافتات المرنة المعاد تدويرها، وألياف الزجاج في نظام لاميني واحد، خاصة فيما يتعلق بتسلسلات التكديس ومحتوى CaCO₃ المنخفض، وهو ما تهدف هذه الدراسة إلى معالجته.
طرق
في هذه الدراسة، كانت المواد الأساسية المستخدمة في تصنيع المركب تشمل ألياف الزجاج، وسجاد البامبو، ولافتة مرنة تم الحصول عليها من خدمات الإعلان المحلية في سمارانغ، إندونيسيا. تم قطع اللافتة المرنة، التي تبلغ كثافتها 1.629 جرام/سم³، إلى بعدين: 230 مم × 180 مم و200 مم × 7 مم. تم الحصول على تعزيز البامبو من بامبو أبوس (Gigantochloa apus)، الذي تمت معالجته ونسجه بواسطة حرفيين محليين. تم الحصول على ألياف الزجاج المنسوجة، التي تتميز بوزن سطحي يبلغ 600 جرام/م²، بالإضافة إلى راتنج الإيبوكسي والمصلب، من الموردين المحليين. تم دمج كربونات الكالسيوم (CaCO₃) كحشو لتعزيز الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للمركب.
شمل عملية التصنيع قطع اللافتة المرنة إلى شرائط ضيقة مع تباعد حوالي 7 مم، تليها نسج القطعة الثانية مع الأولى لتشكيل نسج 20 مم × 15 سم. كانت مادة المصفوفة تتكون من راتنج الإيبوكسي من نوع بيسفينول-A مختلط مع مصلب EPH 555 بنسبة 3:1. تم استخدام مواد إضافية، بما في ذلك شريط مانع للتسرب، وشريط ورقي، وطبقة تقشير، ووسائط تدفق، وبلاستيك فراغ، ودوامات، وخراطيم، لتسهيل عملية تصنيع المركب. يتم توضيح المواد والطرق بالتفصيل في الشكل 1 من الورقة.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة للتجارب التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، كانت أحجام التأثير الملحوظة كبيرة، مما يدل على الأهمية العملية في سياق أهداف البحث.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، مشيرة إلى أن العلاقات المحددة يمكن أن توجه اتجاهات البحث المستقبلية والتطبيقات في المجال المعني. تتماشى النتائج أيضًا مع الدراسات السابقة، مما يعزز صحة الفرضيات التي تم اختبارها. بشكل عام، تساهم النتائج في فهم أعمق للموضوع وتؤكد على أهمية الاستكشاف المستمر في هذا المجال.
مناقشة
في قسم المناقشة هذا، تبرز الدراسة تطوير وتقييم المركبات البوليمرية الهجينة اللامينية المدعمة بالبامبو المنسوج، ولافتة مرنة معاد تدويرها، وألياف زجاجية، مع التركيز على تأثيرات تسلسل التكديس وإضافة حشو كربونات الكالسيوم (CaCO₃). تحدد الدراسة القيود في الأدبيات الحالية، مثل نقص المقارنات المباشرة بين هذه المواد في التكوينات الهجينة والحاجة إلى دراسات موحدة حول خصائصها الميكانيكية. تكشف النتائج أن الكثافة، وقوة الانحناء، ومقاومة الصدمات، والصلابة للمركبات تتأثر بشكل كبير بنوع التعزيز وترتيب الطبقات. من الجدير بالذكر أن اللامينات التي يهيمن عليها البامبو أظهرت خصائص ميكانيكية متفوقة، خاصة في قوة الصدمات وقوة الانحناء، مقارنة بتلك التي تهيمن عليها ألياف الزجاج أو اللافتات المرنة.
تشير النتائج إلى أن إضافة 1 wt.% CaCO₃ تعزز أداء المركبات من خلال تحسين الترابط بين الواجهات وتقليل محتوى الفراغات، وهو أمر حاسم لتحقيق خصائص ميكانيكية أفضل. على سبيل المثال، أظهر اللامينيت الغني بالبامبو مع CaCO₃ زيادة بنسبة 76% في قوة الانحناء مقارنة بنظيره غير المحشو. على العكس من ذلك، أظهرت التكوينات الهجينة المختلطة أداءً أقل بسبب عدم التوافق بين أنواع التعزيز المختلفة. تؤكد الدراسة على أهمية تحسين تسلسلات التكديس ومحتوى الحشو لتعزيز القوة الميكانيكية للمركبات الهجينة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات في قطاعات البناء والسيارات مع تعزيز الاستدامة من خلال استخدام المواد الطبيعية والمعاد تدويرها.
DOI: https://doi.org/10.3390/polym18020275
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41599570
Publication Date: 2026-01-20
Author(s): Rahmat Doni Widodo et al.
Primary Topic: Natural Fiber Reinforced Composites
Overview
The research investigates the mechanical behavior of sustainable hybrid laminated composites made from epoxy reinforced with glass fiber (G), bamboo fiber (B), and flex banner (F), incorporating varying stacking sequences and calcium carbonate (CaCO₃) filler contents (0 and 1 wt.%). A total of nine laminate configurations were produced and subjected to flexural and impact testing to assess their mechanical performance. The findings reveal that both the stacking sequence and the addition of mineral fillers significantly influence the mechanical properties of these composites.
Notably, the bamboo-dominant laminate configuration G/B/B/B/G with 1 wt.% CaCO₃ exhibited the highest flexural strength of 191 MPa and impact resistance of 0.766 J/mm², suggesting a synergistic effect between the arrangement of reinforcements and the strengthening of the matrix due to CaCO₃. Conversely, the G/F/B/F/G configuration without filler demonstrated the lowest performance. All hybrid composites surpassed the mechanical properties of neat epoxy, underscoring the potential of bamboo-flex banner laminates with CaCO₃ filler for sustainable applications. This study supports Sustainable Development Goal 12 by advocating for resource-efficient practices through the use of recycled and natural materials in composite manufacturing.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the evolution and significance of polymer matrix composites, which have gained traction in various industries due to their lightweight nature and superior mechanical properties compared to monolithic polymers. The incorporation of renewable fibers, recycled polymers, and mineral fillers has emerged as a sustainable alternative to fully synthetic materials, driven by environmental concerns. Natural lignocellulosic fibers, particularly bamboo, are highlighted for their advantageous properties such as low density, high specific strength, and biodegradability, making them suitable for reinforcement in composites. Additionally, the paper addresses the potential of using plastic waste, specifically from outdoor promotional banners, as interlayers in polymer composites to enhance mechanical performance while mitigating landfill waste.
The research emphasizes the hybridization of different reinforcement materials, including natural fibers, recycled sheets, and fiberglass, to achieve a balance of mechanical performance, durability, and reduced environmental impact. The arrangement of these layers is crucial, as it influences stress distribution and failure modes under mechanical loading. Furthermore, the addition of inorganic fillers like calcium carbonate (CaCO₃) is discussed for its role in enhancing stiffness and modifying the rheological properties of the composite. However, the effectiveness of CaCO₃ is contingent upon factors such as particle size and dispersion. The introduction concludes by noting the scarcity of systematic studies that explore the combined effects of bamboo, recycled flex banners, and fiberglass in a single laminate system, particularly regarding stacking sequences and low CaCO₃ content, which this research aims to address.
Methods
In this study, the primary materials utilized for composite fabrication included glass fiber, bamboo matting, and a flex banner sourced from local advertising services in Semarang, Indonesia. The flex banner, with a density of 1.629 g/cm³, was cut into two dimensions: 230 mm × 180 mm and 200 mm × 7 mm. Bamboo reinforcement was derived from bamboo apus (Gigantochloa apus), which was processed and woven by local craftsmen. The woven glass fiber, characterized by an areal weight of 600 g/m², along with epoxy resin and hardener, were procured from local suppliers. Calcium carbonate (CaCO₃) was incorporated as a filler to enhance the composite’s physical and mechanical properties.
The manufacturing process involved cutting the flex banner into narrow strips with approximately 7 mm spacing, followed by weaving the second piece with the first to form a 20 mm × 15 cm weave. The matrix material consisted of bisphenol-A-type epoxy resin mixed with EPH 555 hardener in a 3:1 ratio. Additional materials, including sealant tape, paper tape, peel ply, flow media, vacuum plastic, spirals, and hoses, were employed to facilitate the composite manufacturing process. The detailed materials and methods are illustrated in Figure 1 of the paper.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting the significant outcomes of the experiments conducted. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the observed effect sizes were substantial, indicating practical relevance in the context of the research objectives.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, suggesting that the identified relationships could inform future research directions and applications in the relevant field. The results also align with previous studies, reinforcing the validity of the hypotheses tested. Overall, the findings contribute to a deeper understanding of the subject matter and underscore the importance of continued exploration in this area.
Discussion
In this discussion section, the research highlights the development and evaluation of laminated hybrid polymer composites reinforced with woven bamboo, recycled flex banner, and fiberglass, with a focus on the effects of stacking sequence and the addition of calcium carbonate (CaCO₃) filler. The study identifies limitations in existing literature, such as the lack of direct comparisons between these materials in hybrid configurations and the need for unified studies on their mechanical properties. The findings reveal that the density, flexural strength, impact resistance, and hardness of the composites are significantly influenced by the type of reinforcement and the arrangement of layers. Notably, bamboo-dominant laminates exhibited superior mechanical properties, particularly in impact strength and flexural strength, compared to those dominated by fiberglass or flex banner.
The results indicate that the addition of 1 wt.% CaCO₃ enhances the performance of the composites by improving interfacial bonding and reducing void content, which is crucial for achieving better mechanical properties. For instance, the bamboo-rich laminate with CaCO₃ demonstrated a 76% increase in flexural strength compared to its unfilled counterpart. Conversely, mixed hybrid configurations showed lower performance due to interfacial incompatibilities among different reinforcement types. The study emphasizes the importance of optimizing stacking sequences and filler content to enhance the mechanical robustness of hybrid composites, making them suitable for applications in construction and automotive sectors while promoting sustainability through the use of natural and recycled materials.