Untersuchungen zur mechanischen und thermischen Stabilität der Calotropis gigantea-Faser

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 16291 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In den jüngsten Trends wurde der Einsatz synthetischer Materialien durch die Einführung von Naturfasern für Leichtbauanwendungen reduziert. In dieser Studie werden Madar-Fasern (Calotropis gigantea) für die Verstärkungsphase ausgewählt (40 %), und das Epoxidpolymer wird mit Kleiefüllstoff gemischt, der als Matrixmaterial ausgewählt wird. Zur Berechnung der mechanischen Eigenschaften von Hybridverbundwerkstoffen wurden fünf Verbundlaminate mit unterschiedlichen Faser-/Füllstoff-Gewichtsverhältnissen hergestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei einer Erhöhung des Gewichtsverhältnisses der Madarfaser bessere mechanische Eigenschaften in der Verbundlaminatprobe (A) beobachtet wurden, wie Zugfestigkeit (20,85 MPa), Biegefestigkeit (24,14 MPa), Schlagenergieabsorption (23 J). ) verglichen mit einer Erhöhung des Gewichtsverhältnisses von Kleie-Nanofüllstoff zu diesem Verbundmaterial. Gleichzeitig kann die Erhöhung der Kleie-Nanofüllstoffe die thermische Stabilität bis zu einer Abbautemperatur von 445 °C verbessern. Analyse der Oberflächenwechselwirkung zwischen den Madarfasern, Kleie-Nanofüllstoffen und der Epoxidmatrix durch Durchführung einer Rasterelektronenmikroskop-Analyse (REM), bevor sie dem mechanischen Test unterzogen wird, und Identifizierung des Fehlermodus durch Durchführung des REM-Tests nach dem Bruch der Laminate während des Tests die mechanischen Tests des Hybridverbundes.

Für die Studie werden naturfaserverstärkte Verbundwerkstoffe entwickelt, die synthetische faserverstärkte Verbundwerkstoffe ersetzen sollen. Die Matrix und die Fasern wurden durch umweltfreundliche und biologisch abbaubare Komponenten ersetzt1. Gebäude, Brücken und Strukturen wie Bootsrümpfe, Schwimmbadpaneele, Rennwagenkarosserien, Duschkabinen, Badewannen, Lagerbehälter, Granitimitationen sowie Waschbecken und Arbeitsplatten aus Kunstmarmor werden typischerweise aus Verbundwerkstoffen hergestellt, die zunehmend auch in Automobilanwendungen eingesetzt werden Allgemeines 2. Füllstoffe bestehen typischerweise aus feinem Glas, Quarz oder Kieselsäure und werden hinzugefügt, um den Elastizitätsmodul, die Zugfestigkeit, die Härte und die Abriebfestigkeit der Restauration zu verbessern und die Polymerisationsschrumpfung zu reduzieren. Innenausstattungsteile wie Türverkleidungen, Armaturenbrettteile, Gepäckfächer, Sitzpolster, Rückenlehnen, Kabelverkleidungen usw. bestehen typischerweise aus mit Naturfasern verstärkten Verbundwerkstoffen3. Aufgrund der hohen Anforderungen an die mechanische Festigkeit sind Außenanwendungen begrenzt. Naturfaserverbundwerkstoffe sind langlebig, kostengünstig, leicht, haben eine hohe spezifische Festigkeit, sind nicht abrasiv, haben ziemlich ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, sind umweltfreundlich und biologisch abbaubar4. Technischer Hanf, Jute und Flachs sind Naturfasern mit hervorragenden mechanischen, akustischen und thermischen Isoliereigenschaften. Der Fasergehalt und die Faserlänge sind die einflussreichsten Faktoren für die mechanischen und physikalischen Eigenschaften eines naturfaserverstärkten Verbundwerkstoffs. In den jüngsten Trends wird mehr Forschung zur Charakterisierung von Naturfasern betrieben. Calotropis gigantea-Fasern können aufgrund ihres Cellulosegehalts, ihres Kristallinitätsindex (56,08 %), ihrer Kristallitgröße (2,05 nm) und ihrer thermischen Stabilität (> 220 °C) als Verstärkung verwendet werden, da diese Werte mit denen anderer Naturfasern vergleichbar sind werden derzeit als Verstärkungsmittel in Polymeren wie Cocos nucifera, Luffa cyclin-drive, Eucalyptus grandis, Pinus elliotti, Curaua usw. verwendet.5. Die relativ großen graugrünen Blätter sind 5–20 cm lang und 4–10 cm breit und erscheinen paarweise. Die unteren krautigen Teile sind holzig, luftig, aufrecht, verzweigt, zylindrisch und fest, während die oberen Teile mit wolligen Filamenten bedeckt sind, hellgrün sind und Latex enthalten6. Neben einem hohen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht weist der faserverstärkte Polymerverbundstoff von Madar außergewöhnliche Eigenschaften wie hohe Haltbarkeit, Steifigkeit, Dämpfungseigenschaften, Biegefestigkeit und Beständigkeit gegen Korrosion, Abrieb, Stöße und Feuer7 auf. Eine Erhöhung des Fasergehalts erhöht die Zugeigenschaft. Vor dem Abbau der Polypropylenmatrix verwendeten wir in dieser Untersuchung eine Zuckerrohrfaserzusammensetzung. Zuckerrohrfasern weisen im Vergleich zu anderen Faserverbundwerkstoffen eine hohe thermische Stabilität bei 450 °C8 auf. Die Differentialscanningkalorimetrie (DSC) ist eine Art der Kalorimetrie, bei der ein Anstieg der wahrgenommenen Temperatur anzeigt, dass die Faser den Zustand der Keimbildungsstelle erreicht hat. Da das Polymer kristallisiert, verbessern sich die mechanischen Eigenschaften und die Kristallinität des Materials in Verbundwerkstoffen aus Zuckerrohrfasern. Die Verwendung solcher Stränge kann für Luftfahrt- und Militäranwendungen verteidigt werden, bei denen die erheblichen Kosten der Filamente keine große Rolle spielen9. Die Verstärkung der durch ihre Länge exponierten Fasern ist viel wichtiger als die Querschnittsmessungen. Gleichzeitig kann das Verhältnis der Länge zum Querschnittsmaß, das sogenannte Winkelverhältnis, stark schwanken. Faserverstärkte Kunststoffe (FRP) werden aufgrund ihrer erstaunlichen spezifischen Eigenschaften, wie z. B. hohe explizite Qualität und Festigkeit, geringes Gewicht und die Fähigkeit zur Weiterentwicklung durch Orientierung (besonders langlebig) effektiv für verschiedene Anwendungen der aktuellen Luftfahrtinnovation eingesetzt. Fasern zusammen mit der Lastleitung10. Der Einbau von Flachs-, Jute-, Hanf-, Ramie- und Kenaffasern, die aus Pflanzenstängeln gewonnen werden, und Blattfasern werden von den Pflanzenblättern gelöst11. Um die aus der äußeren Rindenschicht der Pflanze gewonnenen Sisal-, Ananas- und Bananenfasern einzuarbeiten, werden Samen- oder Bioproduktstränge von Samen oder Naturprodukten getrennt12. Zum Testen der Materialien wurde eine extrudierte gaszerstäubte Kontrolle mit 62 % Beryllium und 38 % Al verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Hybridverbundwerkstoffen wie Bruchzähigkeit, Ermüdung, Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient verbessert haben. Verbundwerkstoffe mit 20 % Naturfaseranteil weisen eine 33 %ige Steigerung der Zugfestigkeit und eine 75 %ige Steigerung des Zugmoduls auf. Basierend auf diesen Erkenntnissen bestätigten Kokosfasern mit Matrix die Rolle konservierter Kokosfasern und dienten eher als Verstärkungsmittel als als Füllstoff13. Die Anpassung der Oberfläche von PALF (Ananasblattfaser) und KF (Kenaf-Faser) zur Herstellung der KF/PF-Hybridverbundwerkstoffe bietet eine überlegene Grenzflächenfestigkeit und ermöglicht die mechanische Festigkeit der Materialien. Die mechanischen Eigenschaften von faserverstärkten Verbundwerkstoffen hängen von zahlreichen Parametern ab, wie z. B. Faserqualität, Modul, Faserlänge und Ausrichtung, ungeachtet der Qualität der Faser-Netzwerk-Grenzflächenbindung14. Die faserverstärkte Polymermatrix wird in verschiedenen Anwendungen aufgrund der hervorragenden Eigenschaften und besseren Eigenschaften von Naturfasern gegenüber synthetischen Fasern in Bezug auf ihr mäßig niedriges Gewicht, die geringere Beeinträchtigung der Handhabungsgeräte und die hervorragenden relativen mechanischen Eigenschaften, z. B., zu einem wichtigen Faktor B. Zugmodul und Biegemodul, verbesserte Oberflächenvervollständigung von Verbundformteilen, nachhaltige Ressourcen, reichliche Verfügbarkeit, Anpassungsfähigkeit bei der Herstellung, biologische Abbaubarkeit und vernachlässigbare Gesundheitsrisiken15. Die breite Verwendung von NFRPC (Naturfaserverstärkter Polymerverbundstoff) entwickelt sich in verschiedenen Designbereichen schnell. Eine Erhöhung des 9-Prozent-Gewichtsanteils der gehackten Madar-Fasern erhöht die Schlagenergieabsorptionsfähigkeit des Hybridverbundstoffs deutlicher als der Gewichtsanteil der Banyan-Fasern. Der vorherrschende Modus wurde mittels rasterelektronenmikroskopischer Oberflächenmorphologieanalyse entdeckt. Es besteht die Gefahr des Scheiterns. Die mechanischen Eigenschaften bidirektionaler Madar-Faser-Epoxidharz-Verbundwerkstoffe, die mit der Handauflegetechnik hergestellt wurden, wie Härte, Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit, nahmen mit dem Gewicht von Madar16 zu. Die Biege- und interlaminaren Festigkeiten verringerten sich zunächst auf bis zu 12 Gew.-% Madar-Faserbeladung und stiegen dann auf 48 Gew.-% Madar-Faserbeladung an. Der Rückgang der Hohlräume, der durch einen Anstieg des Einsatzes von Madar-Fasern in Verbundwerkstoffen verursacht wird, ist einer der Gründe dafür, dass sich die mechanischen Eigenschaften bidirektionaler Madar/Epoxid-Verbundwerkstoffe verbessern17. Die Zugfestigkeit und der Elastizitätsmodul von mit Polyester gemischtem Kenaf betrugen 381–712 MPa bzw. 27 GPa18. In einer weiteren Studie wurden die mechanischen Eigenschaften von Madar- und Bananenfaser-verstärkten Epoxid-Hybridverbundwerkstoffen untersucht. Die Studie ergab, dass die Zugabe von Bananen zu Madar/Epoxidharz-Verbundwerkstoffen die mechanischen Eigenschaften wie Zug-, Biege- und Schlagfestigkeit um 16 %, 3,9 % bzw. 31,4 % erhöhte19. Die verschiedenen Arten von naturfaserverstärkten Polymerverbundwerkstoffen haben in verschiedenen Automobilanwendungen von zahlreichen Automobilunternehmen, wie z. B. deutschen Automobilunternehmen wie der Audi-Gruppe, Ford, Volkswagen, Mercedes usw., eine seltsame Bedeutung erlangt. Verschiedene Arten von Naturfasern werden ersetzt Verwendung synthetischer Fasern im Verbundwerkstoff. Außerdem muss der thermische Abbau von Verbundwerkstoffen die Effizienz von Naturfaserverbundwerkstoffen ermitteln20.

Mit der oben genannten motivierenden Forschungsarbeit wurde begonnen, ein Verbundlaminat zu entwickeln, bei dem gehackte Madar-Fasern, Kleie-Nanofüllstoffe, Zellulose und eine Epoxidmatrix mit unterschiedlichen Gewichtsanteilen von Madar-Fasern und Nanofüllern verwendet werden, um die mechanische Wirkung und thermische Stabilität des Hybrid-Verbundwerkstoffs sowie die Oberflächenmorphologie des Hybrids zu quantifizieren Verbundwerkstoffe, die mit der REM-Analyse identifiziert werden können.

Diese Studie entspricht den relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen. Ziel dieser Arbeit ist es, ein Verbundlaminat aus Naturfasern, Füllstoff und einer Epoxidmatrix zu schaffen. Die Matrix besteht aus Araldite (LY 556), einem Epoxidpolymerharz vom Typ Bisphenol-F von Huntsman, und dem Härter Araldite HY 951 von Araldite, Javanthi Enterpriser, Chennai, Indien. Go Green Pvt lieferte den Madar-Faser- und Kleie-Nanofüllstoff. Limited, Chennai, Indien. Aufgrund der geringen Länge der Madar-Zweige kann die Faser als gehäckselte Sorte für Verstärkungsmaterial verwendet werden. Um die Madar-Faser zu extrahieren, wurde der Prozess der Wasserröste eingesetzt, was bedeutet, dass Wasser in den zentralen Teil des Stängels eindringen kann, die inneren Zellen anschwellen lässt und dazu führt, dass die äußere Hülle der Pflanzen zerbricht21. Das Vorhandensein von Bakterien und Feuchtigkeit in Pflanzen führt dazu, dass große Teile des Zellgewebes und der klebrigen Verbindungen, die die Fasern umhüllen, abgebaut werden, wodurch einzelne Fasern von der Pflanze getrennt werden. Madar-Fasern wurden für die Herstellung von Verbundwerkstoffen auf gehackte Art zensiert22. Die allgemeinen Eigenschaften von Madarfasern sind: Die Zugfestigkeit beträgt 5,8 MPa, der Elastizitätsmodul beträgt 1,3 GPa und die Dichte beträgt 1,67 g/cm3. Um die Eigenschaften des Hybridkomposits zu erweitern, werden Kleie-Nanofüllstoffe mit einer Partikelgröße von 100 μm (Durchschnitt) und einer Dichte verwendet beträgt 0,25 g/cm3 und wird als Füllstoff verwendet23. Die Hybridverbundwerkstoffe wurden mithilfe einer traditionellen Handauflegetechnik hergestellt, wobei Verstärkung, Füllstoff und Matrixhybridisierung zum Aufbau des Verbundwerkstoffs eingesetzt wurden. Für das Herstellungsverfahren wurde zunächst eine milde Edelstahlform verwendet, um flüssiges Wachs als Formtrennmittel auf eine 25 × 25 cm große Stahlform aufzutragen. Vordefinierte 60 % Epoxidharz wurden mit Härter im Verhältnis 10:1 gemischt und 40 % Es wurde eine Verstärkung aus gehackten Madar-Fasern und Kleie-Nanofüllstoffen genommen, die Matrix wurde mit 60 % für alle fünf Proben fixiert und die gehackten Madar-Fasern und Kleie-Nanofüllstoffe wurden mit fünf verschiedenen Gewichtsanteilen in Gramm variiert, gefolgt von 140/10, 130/20, 120/30, 110/40, 100/50 aus Hybridverbundwerkstoff. Auf den Stahlkasten wurde flüssiges Wachs als Formtrennmittel aufgetragen, gefolgt von einer Schicht gehackter Madarfaser und einer Epoxidmatrix mit einer Kleie-Nano-Füllmischung in der erforderlichen Dicke von 5–8 mm24. Der Vorgang wurde mit fünf unterschiedlichen Gewichtsanteilen an Madarfasern und Nanofüllstoffen wiederholt. Nach Abschluss der Herstellung wurden die Laminate zwei Stunden lang in einem heißen Ofen mit einer Geschwindigkeit von 50 °C pro Minute ausgehärtet und vierundzwanzig Stunden lang mit fünf Kilogramm pro Quadratzentimeter Formfläche komprimiert, um die Aushärtung des Hybridverbundwerkstoffs zu verbessern. Die Ausgangsmaterialien einzelner Madar-Fasern in einem mikroskopischen Bild, in Abb. 1

Mikroskopisches Bild einer einzelnen Madar-Faser.

Die Methode wurde für alle Proben wiederholt und von jeder Probe wurde gemäß den ASTM-Standards eine Probe entnommen, um verschiedene Analysen durchzuführen. Das Gewichtsverhältnis von gehackten Madarfasern, Nanofüllstoffen und Epoxidpolymer-Matrixmaterialien ist in Tabelle 1 aufgeführt. Der Hybridverbundwerkstoff wurde aus gehackten Madarfasern und zugesetztem Kleie-Nanofüllstoff-Epoxidpolymer hergestellt und die Proben werden mechanischen Tests wie Zugtests und Biegetests unterzogen und Aufprallenergieabsorption, außerdem Durchführung der thermogravimetrischen Analyse. Der Zugversuch wurde auf einer Universalprüfmaschine (TINIUS OLSEN H10KT) mit einer langsamen Belastungsrate von 1 mm/min im 10-KN-Modus eines Experiments gemäß ASTM D638-Standard durchgeführt. Es wurden Abmessungen von 165 × 13 × 3,2 mm aufgenommen, die Genauigkeit der Positionsmessung betrug beobachtet + /− 0,01 % des Messwerts oder 0,001 mm und eine Lastgenauigkeit von 0,5 % der angegebenen Last wird erreicht. Der Biegetest wurde im 3-Punkt-Biegemodus der Norm ASTM D790 mit den Abmessungen 125 × 12,7 × 3,2 mm, einem Kraftverhältnis von 100:1 (d. h. die Wägezelle auf 1,0 % der Kapazität ohne Genauigkeitsverlust) und für Stöße durchgeführt Festigkeit durch Durchführung eines Izod-Schlagversuchs, ASTM D256-Standard mit den Abmessungen 65 × 12,7 × 3,2 mm wie folgt, und für thermische Stabilität durch Durchführung der thermogravimetrischen Analyse wurde ASTM E1131-Standard befolgt25. Mit einem 115 EVO 18 REM werden die Oberflächeninteraktion und Morphologie des Hybridkomposits untersucht (Carl Zeiss, Oberkochen, Deutschland). Um die Sichtbarkeit zu verbessern, werden die Hybridverbundwerkstoffe vor der Oberflächenmikroanalyse durch Sputtern mit Goldpartikeln beschichtet. Die Proben zur Durchführung aller Tests gemäß der ASTM-Norm wurden für jede Analyse aus allen Proben entnommen. Sie zeigten die durchschnittlichen Eigenschaften dieses Hybridverbundwerkstoffs auf. Die getesteten Proben sind in Abb. 2 dargestellt.

Prüfmuster für Naturfaser-Verbundlaminat.

In dieser Forschung wurden mechanische Tests von Hybridverbundwerkstoffen gemäß ASTM-Standards durchgeführt. Die Ergebnisse der Zug-, Biege- und Schlagfestigkeit zeigen die signifikante Reaktion von Hybridverbundwerkstoffen. Die Spannungs-Dehnungs-Kurve von Verbundlaminaten ist in Abb. 3 dargestellt. Diese Ergebnisse können die elastische Kapazität von gehackten Madarfaser-Verbundwerkstoffen aufzeigen. Die maximalen Spannungs- und Dehnungswerte von Probe A betragen 20,85 MPa und 11,4 %. Wenn die zunehmende Spannung einen ähnlichen Effekt haben kann und den Dehnungswert des Hybridkomposits erhöht, um die maximale elastische Kapazität zu erreichen, wird das Material bis zum Bruchpunkt bewegt und die gleichen Ergebnisse wurden in allen anderen Proben wiederholt, wenn die Spannung parallel zum Dehnungswert anstieg bis zur Elastizitätsgrenze des Hybridverbundes erhöht. Das Volumen der Madar-Fasern ist in den Proben A und B größer. Daher können Madar-Fasern während der Zugbelastung im Vergleich zu Kleie-Nanofüllstoffen im Hybridverbundstoff mehr Spannung erzeugen. Die Zugfestigkeit des Hybridverbundwerkstoffs ist in Abb. 4 dargestellt. Die Koeffizientenvariation für diesen Hybridverbundwerkstoff während der mechanischen Eigenschaften wurde berechnet durch:

Spannungs-Dehnungs-Kurve eines Hybridkomposits.

Zugfestigkeit von Verbundlaminaten.

Die Stabilität des Madar-Faserverbunds in Bezug auf die Zugfestigkeit ist in Tabelle 2 angegeben. Die obigen Ergebnisse werden deutlich, wenn die Erhöhung des Gewichtsanteils der Faserverstärkung im Vergleich zur Erhöhung des Füllstoffanteils in den Verbundlaminaten einen positiven Einfluss hat. Der Hybridverbundstoff besteht aus gehackten Madarfasern, Kleie-Nanofüllstoff und einer Epoxidmatrix. Die Zugfestigkeit von Probe A ist mit 20,85 MPa der Maximalwert im Vergleich zu anderen Proben. Es enthält 140 g gehackte Madarfaser und 10 g Kleie-Nanofüllstoff, die maximale Festigkeit hängt von der Faserverstärkung ab, und Probe B weist im Vergleich zu Probe A einen 12-prozentigen Verlust der Zugfestigkeit und gleichzeitig einen Anstieg des Faseranteils auf kann die Erhöhung der Zugfestigkeit von Verbundlaminaten aufzeigen. In Probe C kann die Erhöhung von 30 g Füllstoff einen negativen Einfluss von 25 % im Vergleich zu Probe A zeigen. In Probe E wurde eine geringere Zugfestigkeit von 11,8 MPa angegeben, 45 % weniger als Probe A. In einer anderen Arbeit Flachs Der Faserverbundstoff erhielt bei der Verwendung einer gewebten Flachsmatte eine Zugfestigkeit von 42 MPa, da sich die Lastübertragung von einem Punkt zum anderen gleichmäßig in der mattenförmigen Verstärkung verteilen kann, und es wurde eine geringere Zugfestigkeit bei kurzen Fasern festgestellt, die als Verstärkung verwendet wurden26. Eine ähnliche Forschung wurde mit einem Basalt/Flachsfaser-Hybridverbundwerkstoff durchgeführt. Die Proben wiesen aufgrund einer Basaltfaserschicht die höchste Zugfestigkeit auf. Eine einzelne Flachsfaserschicht weist eine geringere Zugfestigkeit auf als andere Hybridverbundproben. Wenn die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs abnimmt, während die Vernetzungsrate zunimmt, hat die Nachhärtung eine oder beide Komponenten verändert27. Wenn daher die allmähliche axiale Zuglast auf die Hybridverbundlaminate ausgeübt wird, kann sich zeigen, dass die Verstärkung bei der Herstellung natürlicher Verbundwerkstoffe im Vergleich zu anderen Füllmaterialien eine wichtige Rolle spielt. In jeder Probe wurden fünf verschiedene Proben für verschiedene Versuche entnommen, und der Fehlerbalken gibt die Durchschnittswerte aus fünf verschiedenen Versuchen der Experimente zur Zug-, Biege- und Schlaganalyse von Verbundlaminaten an. Die Materialstabilität im Biegeversuch ist in Tabelle 3 angegeben.

Das Biegetestexperiment kann die Belastung aufzeigen, die während der Biegelastbedingung im 3-Punkte-Biegetest standgehalten wurde. Während dieses Experiments wurde die Durchbiegung von 2 mm im Hybridverbundwerkstoff berechnet28. Die Biegefestigkeiten der Verbundlaminate sind in Abb. 5 angegeben. Probe A ist das signifikante Ergebnis unter allen anderen Proben und erhielt eine Biegefestigkeit von 24,14 MPa. Dieses Ergebnis ist im Vergleich zu Probe B um 3 % höher, und die in Probe E identifizierte geringe Biegefestigkeit enthielt ein Maximum an Kleie-Nanofüllstoffmaterial und ein Minimum an gehackten Madarfasern. Daher kann eine Erhöhung des zerkleinerten Madar-Fasermaterials die Biegebelastung in der Biegefestigkeit von Hybridverbundwerkstoffen im Vergleich zu einer Erhöhung der Nanofüllstoffe in den Verbundlaminaten verbessern. In einer anderen Arbeit kann eine Erhöhung der Sisalfaser die höhere Biegeenergie im Vergleich zum Sägemehl-Zellulosegehalt im Verbundwerkstoff verbessern29. Das in dieser Arbeit gezeigte ähnliche Ergebnis kann durch eine Verbesserung durch Faserverstärkung zu signifikanten Ergebnissen führen30. In einer anderen Forschungsarbeit haben die Verbundlaminate, die weniger Flachs enthalten, eine Mindestbiegefestigkeit von 32 MPa, was 59,4 % weniger als die Biegefähigkeit von Basaltfasern ist. Bei Biegebelastung können Basaltfasern die Belastung in eine andere Richtung übertragen und die Biegefähigkeit erhöhen, indem sie eine dickere Basaltschicht in Verbundproben einbauen. Im Gegensatz dazu besitzen Flachsfasern keine größere Biegefähigkeit als Basaltfasern31. In Probe C wurden 19,5 MPa angegeben, und die Biegefestigkeit, die das gleiche Verhältnis von gehackten Madarfasern und Kleie-Nanofüllstoffen zeigt, kann den Biegeverlust im Vergleich zu Probe D und Probe E reduzieren.

Biegefestigkeit von Verbundlaminaten.

Der Aufprallenergiekoeffizient ist in Tabelle 4 angegeben. In dieser Arbeit wird die Aufnahmekapazität für Aufprallenergie analysiert, indem die Izod-Schlagzähigkeit an diesem Verbundlaminat gemessen wird. Die Ergebnisse sind die gleichen wie Zug- und Biegefestigkeit. Die gehackte Madar-Faser kann einer größeren Stoßbelastung standhalten, da Probe A mehr Energie von 23 J und Probe E eine minimale Energie von 9 J absorbiert, was darauf hindeutet, dass der Nanofüller von Kleie-Nanofüllern bei plötzlicher Anwendung leicht brechen kann. Gleichzeitig kann sich das Fasermaterial formal verbinden und der Stoßbelastung besser widerstehen, indem es die Energie in Probe B bei 18 J absorbiert. Dieses Ergebnis ist 21 % geringer als bei Probe A. Es zeigt, dass eine Erhöhung um 10 g eine stärkere Auswirkung auf die Probe haben kann Hybridverbundwerkstoff während der plötzlichen Krafteinwirkung auf diesen Verbundwerkstoff. Ähnliche Arbeiten wurden mit einer Naturfaser aus Basalt/Kenaf-Faser-Verbundwerkstoff durchgeführt, der eine Aufprallenergie von 19 J aufwies, da die Kombination in Mattenform aus Flachs/Glas einer größeren Belastung standhalten kann, die nach und nach aufgebracht wird. Bei plötzlicher Belastung war der Wert geringer, denn wenn die Stoßbelastung bei kurzen Fasern schnell von einem Punkt auf einen anderen übertragen werden kann, wurde sie in mattenförmiger Verbundstoffform verdünnt32. Die Schlagenergien natürlicher Verbundlaminate sind in Abb. 6 dargestellt. Die wesentlichen Einschränkungen liegen in der Verwendung von geschnittenen Madarfasern, die die Last kurzfristig übertragen können. Höheren Belastungen können die Fasern bei mechanischen Tests nicht standhalten und Füllstoffe können lediglich den thermischen Abbau verbessern. Gleichzeitig kann die Mattenform der Verstärkung einen potenziellen Einfluss auf das mechanische und thermische Verhalten des Hybridverbundwerkstoffs haben.

Schlagenergie von Verbundlaminaten.

Die Auswirkung des Fasergehalts (20–50 Gew.-%) auf einen mit Abaca verstärkten Polypropylen-Verbundwerkstoff (PP) wird im Schlagtest mit einem mit Jute/Flachs verstärkten Polypropylen-Verbundwerkstoff verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Schlagfestigkeit von 20 auf 40 Gew.-% Fasergehalt zunahm. Dennoch beginnt die Schlagfestigkeit abzunehmen, wenn ein Fasergehalt von 40–50 Gew.-% hinzugefügt wird, da das Faser/Matrix-Verhältnis ein entscheidender Faktor für die Fähigkeit von Verbundwerkstoffen ist, der Schlagbelastung standzuhalten33. Analysierte spritzgegossene Polylactid-Verbundwerkstoffe (PLA) und Polypropylen (PP), verstärkt mit synthetischen Kevlar-Fasern und Abaca-Fasern. Alle Verbundwerkstoffe wurden mit einem Faseranteil von 30 Gew.-% hergestellt. Hinsichtlich des Fasergewichts wurden Verbundwerkstoffe auf PP-Basis mit einem Gehalt an maleiertem Polypropylen (MAPP) von 5 Gew.-% bewertet. Bei Raumtemperatur war die NI-Wirksamkeit von PP-basierten Materialien wesentlich höher als die von PLA-basierten Materialien, während bei 30 °C das Gegenteil der Fall war. Die Ergebnisse zeigten einen deutlichen Unterschied zwischen mit Abaca-Fasern verstärkten Verbundwerkstoffen und synthetischer Zellulose34. Normalerweise haben Naturfasern einen höheren Feuchtigkeitsgehalt, und das Vorhandensein von Lignin und Hemizellulose ist der Hauptgrund für die geringere Bindungsfähigkeit mit der Polymermatrix. Um dies zu vermeiden, kann eine Faserbehandlung die mechanischen Eigenschaften von Naturfaserverbundwerkstoffen um 2 % verbessern.

Die obigen REM-Aufnahmen zeigen vor und nach dem Bruch von Verbundlaminaten, während des Herstellungsprozesses kann das Epoxidharz die Blasenbildung und Porosität aufgrund atmosphärischer Bedingungen verbessern. Es kann sich auf die Oberflächenbeschaffenheit von Verbundlaminaten auswirken, und die Fehlerart kann anhand dieser Mikroaufnahme identifiziert werden35. Der Hauptgrund liegt darin, dass der Spannungskonzentrationsfaktor eher auf eine kurze Faserform zurückzuführen ist. Die Risse und Faserauszüge werden durch den höheren Spannungskonzentrationsfaktor in den Laminaten und durch Hohlräume und Faserrisse in den Verbundlaminaten sichtbar. Alkene, phenolische Hydroxylgruppen, aromatische Gruppen und verschiedene funktionelle Gruppen mit Sauerstoff sind die Hauptbestandteile34. Das REM-Bild der Verbundlaminate ist in Abb. 7 dargestellt. Die Bindung zwischen Faser und Matrix wird verbessert, gleichzeitig wird die Bindung zwischen Faser und Füllstoff in den natürlichen Verbundlaminaten geschwächt.

REM-Aufnahme von Verbundlaminaten.

An dem vorgeschlagenen Madar-faserverstärkten Hybridverbundwerkstoff wurden TGA-Tests durchgeführt, um die thermische Stabilität von fünf verschiedenen Gewichtsfraktionen und den Materialabbau dieses Verbundwerkstoffs zu bestimmen. Diese Studie wird verwendet, um die Stabilität des Materials bei verschiedenen Temperaturerhöhungen und die Zeit zu bestimmen, die es dauert, bis die Substanz abgebaut wird35. Die Anfangstemperatur wurde für die Materialmasse von 15–14,9 g bei 365 °C gemessen, und die Zeit während des Vorgangs betrug 12,5 Minuten in dieser Hybrid-Verbundprobe E. Im Vergleich dazu wurde die Anfangstemperatur für die Materialmasse von 15 gemessen –14,9 g bei 269 °C, und die während des Vorgangs benötigte Zeit betrug 10,5 Minuten in Probe A. In einer anderen Untersuchung ergab die TGA-Analyse von Neemzweigfasern, dass ihre thermische Stabilität anderen Naturfasern wie Sisal und Banane überlegen ist. Der feste Zustand begann bei einer Umgebungstemperatur von 200 °C, die Glasübergangstemperatur lag zwischen 210 und 350 °C und der elastische Bereich begann bei 352 °C36. Diese thermogravimetrische Analyse zeigt, dass wachsende natürliche Kleie-Nanofüllstoffe bei einer Arbeitstemperatur von 445 °C mit einer entsprechenden Masse von 25 % der Ausgangsmasse höheren Temperaturen standhalten können. Das Material kann sich zersetzen, sobald es eine maximale Temperatur von 445 °C erreicht. Die Abbildungen 8 und 9 zeigen das Diagramm des Massenprozentsatzes mit der Temperatur und des Massenprozentsatzes mit der Zeit, die für den Massenverlust bei verschiedenen Prozentsätzen von Hybridverbundwerkstoffen benötigt wird, und zeigen die thermische Stabilität von gehackten Madarfasern, gemischt mit Kleie-Nanofüllstoffen, Hybridpolymerverbundwerkstoffen.

Das Diagramm zwischen Massenprozent und Temperatur des Hybridkomposits.

Das Diagramm zwischen Massenprozent und Zeit des Hybridkomposits.

Die Verbundlaminate wurden mit gehackten Madarfasern entwickelt, die mit einer mit Kleiefüllstoff vermischten Epoxidmatrix verstärkt sind. Das mechanische und thermogravimetrische Experiment wurde durchgeführt, um die allgemeinen Eigenschaften mechanischer und Temperaturschwankungen von Verbundlaminaten zu analysieren. Die wesentlichen Erkenntnisse aus dieser Forschungsarbeit waren wie folgt. Die Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und Schlagenergie wurden aufgrund der Zufuhr von gehackten Madarfasern im Vergleich zu Kleie-Nanofüllstoffen um durchschnittlich 60 % verbessert. Es kann gezeigt werden, dass die Zugabe von Kleie-Nanofüllstoff die mechanischen Eigenschaften des natürlichen Verbundwerkstoffs negativ beeinflusst und dass die Bereitstellung einer Verstärkung aus gehackten Madarfasern die mechanischen Eigenschaften des Madarfaserverbundwerkstoffs verbessern kann. Basierend auf den Ergebnissen kann die Madar-Faser aufgrund der signifikanten Ergebnisse, die bei der Probe (A) Zugfestigkeit (20,85 MPa), Biegefestigkeit (24,1 MPa) und Schlagenergie (23) beobachtet wurden, als Verstärkung in Polymerverbundwerkstoffen für leichte Strukturanwendungen verwendet werden J) unter anderem Gewichtsanteil von vier Proben. In Bezug auf die thermische Stabilität verbesserte die Zugabe von Kleie-Nanofüllstoff die thermische Stabilität im Vergleich zur Erhöhung der Madarfaser um durchschnittlich 24 %. Bei Probe E wurde eine überlegene thermische Stabilität mit einer maximalen Zersetzungstemperatur von 445 °C beobachtet. Die für den Materialabbau benötigte Zeit von 16,2 Minuten ist erforderlich, um die Probenmasse von 25 % dieses Hybridkomposits zu erreichen. Daher eignet sich die Zugabe von Kleie-Nanofüllstoffen zum natürlichen Verbundwerkstoff hervorragend zur Herstellung der Wärmedämmstoffe von Hybridverbundwerkstoffen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Labor für Materialwissenschaften, Abteilung für Prothetik, Saveetha Dental College and Hospitals, SIMATS, Saveetha University, Chennai, Tamil Nadu, 600077, Indien

Thandavamoorthy Raja

Fakultät für Maschinenbau, Saveetha School of Engineering, SIMATS, Saveetha University, Chennai, Tamil Nadu, Indien

Yuvarajan Devarajan

Fakultät für Bauingenieurwesen, Universität Ambo, Ambo, Äthiopien

Subash Thanappan

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TR, YD und ST haben gleichermaßen zum Manuskript beigetragen.

Korrespondenz mit Yuvarajan Devarajan oder Subash Thanappan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 01. April 2023

Angenommen: 08. September 2023

Veröffentlicht: 28. September 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-42316-6

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