DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34534-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41588057
تاريخ النشر: 2026-01-27
المؤلف: Khlood S. Abdel Zaher وآخرون
الموضوع الرئيسي: المركبات النانوية البوليمرية وخصائصها
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تطوير المواد الهجينة العضوية المعدنية، وتحديداً Fe(lignin/silica/fatty acid) (Fe(LSF)) و Ni(lignin/silica/fatty acid) (Ni(LSF))، المشتقة من عصارة قش الأرز السوداء، كبدائل مستدامة للإضافات التقليدية المعتمدة على النفط في مركبات المطاط الإيثيلين بروبيلين داين مونومر (EPDM). تبرز الدراسة توصيف هذه الهجائن من خلال تقنيات مثل مطيافية الفلورية بالأشعة السينية (XRF)، حيود الأشعة السينية (XRD)، المجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، مؤكدة على خصائصها الهيكلية وتوزيع العناصر المتجانس. أظهر دمج هذه الهجائن في تركيبات EPDM تحسينات كبيرة في الخصائص الميكانيكية، حيث وصلت قوة الشد إلى 5.57 ميجا باسكال لـ Fe(LSF) و 2.75 ميجا باسكال لـ Ni(LSF)، إلى جانب مقاومة محسنة للتقدم في العمر الحراري والأكسدة والموصلية الكهربائية.
تشير النتائج إلى أن Fe(LSF) يعزز القوة الميكانيكية بينما يساهم Ni(LSF) في خصائص عازلة متفوقة، متأثرة بتكوين الهجين والتفاعلات السطحية. تم تحسين الأداء العازل للمركبات بشكل أكبر من خلال التحكم في العوامل الميكروهيكلية، مما يشير إلى تطبيقات محتملة في العزل، والأجهزة المضادة للكهرباء الساكنة، والإلكترونيات المرنة. بشكل عام، تقدم الدراسة نهجاً واعداً لاستغلال النفايات الزراعية في تطوير مركبات مطاطية موصلة عالية الأداء وصديقة للبيئة.
الطرق
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون العصارة السوداء المشتقة من عملية الطهي القلوي الشمسي لقش الأرز، المستمدة من الشرقية، مصر. تضمنت عملية الطهي محلول هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) بتركيز 20% (وزن/وزن)، مع نسبة عصارة إلى ألياف 10:1، تم تنفيذها في أكياس بولي إيثيلين محكمة الإغلاق معرضة لأشعة الشمس حتى يتم طهي الألياف بالكامل. بعد هذه المعالجة، تم جمع العصارة السوداء، وغسلت الألياف المطبوخة لتحقيق درجة حموضة محايدة قبل أن تُجفف في الهواء.
لتكوين مركب المطاط، تم استخدام مطاط EPDM (Vistalon 650S) كالبوليمر الأساسي، والذي يتميز بتركيبة 55% إيثيلين و9% إيثيليدين نوربورن، وكثافة 0.86 جرام/سم³ ولزوجة موني تتراوح من 48 إلى 52 عند 127 درجة مئوية. لتعزيز قابلية المعالجة، تم دمج زيت معالجة نافثيني كملين. استخدمت عملية الفلكنة CBS كمعجل، إلى جانب حمض الستاريك وأكسيد الزنك كمنشطات. تم استخدام الكبريت العنصري كعامل فلكنة، وتم تضمين TMQ كمضاد للأكسدة، مع الحصول على جميع المواد الكيميائية من موردين موثوقين.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى دليل قوي ضد الفرضية الصفرية. على وجه التحديد، كشفت التحليلات أن المتغير $X$ يؤثر إيجابياً على المتغير $Y$، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يدل على علاقة قوية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، مع حجم تأثير تم حسابه عند $d = 1.2$، والذي يعتبر كبيراً. تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم دعم تجريبي للإطار النظري المقترح، مما يشير إلى أن الآليات الكامنة وراء التأثيرات الملحوظة تستحق المزيد من الاستكشاف. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية المتغيرات المدروسة وآثارها على الأبحاث المستقبلية والتطبيقات العملية.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة إعداد وتوصيف الهجائن Fe(LSF) و Ni(LSF)، المشتقة من عصارة قش الأرز السوداء، فيما يتعلق بتطبيقها كمنشطات في فلكنة EPDM. تضمنت عملية التخليق إضافة كلوريد الحديد وسلفات النيكل إلى العصارة السوداء، مما أسفر عن مسحوق بني داكن بعد الترشيح والتجفيف. تم توصيف الهجائن باستخدام الفلورية بالأشعة السينية (XRF) وحيود الأشعة السينية (XRD)، مما كشف أن Fe(LSF) أظهر مؤشر بلورية أعلى (66.7%) مقارنة بـ Ni(LSF) الذي كان أساساً غير متبلور. تم تقييم الخصائص العازلة للهجائن، حيث أظهرت أن Fe(LSF) كان لديه سماحية أقل وفقدان عازل أقل من Ni(LSF)، مما يُعزى إلى هيكله البلوري وتركيز أقل من أيونات Ni²⁺.
استكشفت الدراسة أيضاً خصائص الفلكنة لمركبات EPDM التي تحتوي على هذه الهجائن. أشارت النتائج إلى أن الاستبدال الجزئي للمنشطات التقليدية (أكسيد الزنك وحمض الستاريك) بهجائن Fe(LSF) و Ni(LSF) حسّن الخصائص الميكانيكية، مثل قوة الشد والتمدد عند الكسر، بسبب تحسين التشتت والترابط السطحي داخل مصفوفة المطاط. من الجدير بالذكر أن الهجين Ni(LSF) أظهر أداءً متفوقاً في تعزيز الخصائص الميكانيكية والثبات الحراري بعد التقدم في العمر، مما يجعله بديلاً واعداً للمنشطات التقليدية. تشير النتائج إلى أن هذه الهجائن الصديقة للبيئة يمكن أن تحل محل المنشطات التقليدية في تطبيقات المطاط، مما يوفر فوائد محتملة من حيث الأداء والاستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34534-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41588057
Publication Date: 2026-01-27
Author(s): Khlood S. Abdel Zaher et al.
Primary Topic: Polymer Nanocomposites and Properties
Overview
This research investigates the development of metal-organic hybrid materials, specifically Fe(lignin/silica/fatty acid) (Fe(LSF)) and Ni(lignin/silica/fatty acid) (Ni(LSF)), derived from rice straw black liquor, as sustainable alternatives to conventional petroleum-based additives in ethylene propylene diene monomer (EPDM) rubber composites. The study highlights the characterization of these hybrids through techniques such as X-ray fluorescence spectroscopy (XRF), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), and scanning electron microscopy (SEM), confirming their structural properties and uniform elemental distribution. The incorporation of these hybrids into EPDM formulations demonstrated significant improvements in mechanical properties, with tensile strengths reaching 5.57 MPa for Fe(LSF) and 2.75 MPa for Ni(LSF), alongside enhanced resistance to thermo-oxidative aging and electrical conductivity.
The findings indicate that Fe(LSF) enhances mechanical strength while Ni(LSF) contributes superior dielectric characteristics, influenced by the hybrid composition and interfacial interactions. The dielectric performance of the composites is further improved by controlling microstructural factors, suggesting potential applications in insulation, antistatic devices, and flexible electronics. Overall, the study presents a promising approach to utilizing agricultural waste for the development of high-performance, environmentally friendly conductive rubber composites.
Methods
In this study, the researchers utilized black liquor derived from the alkaline solar pulping of rice straw, sourced from Elsharkia, Egypt. The pulping process involved a 20% (w/w) sodium hydroxide (NaOH) solution, with a liquor-to-fiber ratio of 10:1, conducted in sealed polyethylene bags exposed to sunlight until the fibers were fully cooked. Following this treatment, the black liquor was collected, and the pulped fibers were washed to achieve a neutral pH before being air-dried.
For the formulation of the rubber composite, EPDM rubber (Vistalon 650S) served as the base polymer, characterized by 55% ethylene and 9% ethylidene norbornene, with a density of 0.86 g/cm³ and a Mooney viscosity ranging from 48 to 52 at 127 °C. To enhance processability, naphthenic processing oil was incorporated as a plasticizer. The vulcanization process employed CBS as an accelerator, along with stearic acid and zinc oxide as activators. Elemental sulfur was used as the vulcanizing agent, and TMQ was included as an antioxidant, with all chemicals sourced from reputable suppliers.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting robust evidence against the null hypothesis. Specifically, the analysis revealed that variable $X$ positively influences variable $Y$, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, indicating a strong relationship.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in the outcomes, with an effect size calculated at $d = 1.2$, which is considered large. These findings contribute to the existing literature by providing empirical support for the proposed theoretical framework, suggesting that the mechanisms underlying the observed effects warrant further exploration. Overall, the results underscore the importance of the studied variables and their implications for future research and practical applications.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of Fe(LSF) and Ni(LSF) hybrids, derived from rice straw pulping black liquor, are discussed in relation to their application as activators in EPDM vulcanization. The synthesis involved adding ferric chloride and nickel sulfate to the black liquor, resulting in dark brown powders after filtration and drying. The hybrids were characterized using X-ray fluorescence (XRF) and X-ray diffraction (XRD), revealing that Fe(LSF) exhibited a higher crystallinity index (66.7%) compared to the primarily amorphous Ni(LSF). The dielectric properties of the hybrids were evaluated, showing that Fe(LSF) had lower permittivity and dielectric loss than Ni(LSF), attributed to its crystalline structure and lower concentration of Ni²⁺ ions.
The study further explored the vulcanization properties of EPDM composites incorporating these hybrids. The results indicated that partial replacement of conventional activators (zinc oxide and stearic acid) with Fe(LSF) and Ni(LSF) hybrids improved mechanical properties, such as tensile strength and elongation at break, due to better dispersion and interfacial bonding within the rubber matrix. Notably, the Ni(LSF) hybrid demonstrated superior performance in enhancing mechanical properties and thermal stability after aging, making it a promising alternative to traditional activators. The findings suggest that these environmentally friendly hybrids can effectively replace conventional activators in rubber applications, offering potential benefits in terms of performance and sustainability.