Natural Fibre Modification and Its Influence on Fibre-matrix Interfacial Properties in Biocomposite Materials

مقدمه

مواد بایو کامپوزیت ترکیباتی نوآورانه هستند که از الیاف طبیعی و ماتریس‌های پلیمری ساخته شده و به دلیل انعطاف‌پذیری طراحی، خواص مکانیکی بالا و دوست‌دار محیط‌زیست بودن، کاربردهای گسترده‌ای در صنعت دارند. با این حال، ناسازگاری شیمیایی بین الیاف آبدوست و ماتریس آب‌گریز، چالش‌هایی نظیر جذب رطوبت بالا، کاهش چسبندگی و ضعف در انتقال تنش را ایجاد می‌کند. این مقاله به بررسی روش‌های اصلاح الیاف برای بهبود این مشکلات پرداخته و تأثیر اصلاحات بر چسبندگی و خواص مکانیکی مواد را تحلیل می‌کند.

چالش‌ها در ترکیب الیاف طبیعی و ماتریس پلیمری

مشکلات اصلی:

1. جذب رطوبت بالا:
   الیاف طبیعی به دلیل حضور گروه‌های هیدروکسیل (OH) تمایل به جذب آب دارند که موجب کاهش استحکام و پایداری ابعادی می‌شود.
2. چسبندگی ضعیف:
   تفاوت در ماهیت آبدوستی الیاف و آب‌گریزی ماتریس منجر به پیوندهای ضعیف بین این دو می‌شود و انتقال تنش را محدود می‌کند.
3. تغییرات ساختاری در رطوبت:
   این تغییرات منجر به تورم و انقباض الیاف شده و باعث ایجاد ترک در مواد می‌شود.

راهکارها:

• اصلاح سطح الیاف برای کاهش آبدوستی و بهبود چسبندگی به ماتریس.
• استفاده از عامل‌های جفت ‌کننده و تقویت‌ کننده برای بهبود انتقال تنش و افزایش مقاومت مکانیکی.

روش‌های اصلاح الیاف طبیعی

الف) اصلاح فیزیکی:

1. کشش و تراکم:
   بهبود سطح الیاف بدون تغییر ساختار داخلی برای افزایش چسبندگی مکانیکی.
2. پلاسما:
   اصلاح سطحی با افزایش زبری و ایجاد گروه‌های فعال برای ایجاد پیوندهای قوی‌تر با ماتریس.
3. تیمار حرارتی:
   بهبود پایداری ابعادی و کاهش حساسیت به رطوبت.

ب) اصلاح شیمیایی:

1. قلیایی‌کردن:

1. • حذف مواد ضعیف مانند همی‌سلولز، موم و لیگنین.
   • افزایش انعطاف‌پذیری و چسبندگی به ماتریس.
   • بهبود انتقال تنش و کاهش حساسیت به رطوبت.

2. استیلاسیون:

1. • جایگزینی گروه‌های استیل برای کاهش آبدوستی و افزایش مقاومت شیمیایی.
   • بهبود پایداری ابعادی و کاهش تورم.

3. سایر روش‌ها:

1. • سیلان: افزودن عامل‌های جفت‌ کننده برای پیوندهای کووالانسی قوی‌تر.
   • بنزویلاسیون: کاهش آبدوستی و افزایش تعامل با ماتریس آب‌گریز.
   • اسید اکریلیک و اکریلونیتریل: ایجاد پیوندهای قوی برای تقویت چسبندگی.

خواص مکانیکی و چسبندگی بهبود یافته

اصلاح الیاف تأثیر قابل توجهی بر افزایش استحکام مکانیکی، کنترل ترک‌ها و بهبود انتقال تنش دارد.

1. استحکام برشی و خمشی:

1. • اصلاح با قلیا و استیلاسیون منجر به افزایش 30-50 درصدی در مقاومت خمشی شد.

2. چقرمگی و جذب انرژی:

1. • افزایش چقرمگی مواد تا 20 برابر نسبت به نمونه‌های اصلاح نشده.

3. پایداری ابعادی:

1. • الیاف اصلاح شده در برابر رطوبت مقاوم‌تر شده و تغییر شکل کمتری داشتند.

4. انتقال تنش و کنترل ترک‌ها:

1. • بهبود انتقال تنش از ماتریس به الیاف و جلوگیری از گسترش ترک‌ها.

روش‌های ارزیابی چسبندگی و رفتار مکانیکی الیاف-ماتریس

الف) آزمایش بیرون‌کشیدن فیبر:

• ارزیابی مقاومت چسبندگی بین فیبر و ماتریس با کشیدن الیاف و اندازه‌گیری نیرو.
• اندازه‌گیری تنش برشی و شکست پیوندها.

ب) تصویربرداری SEM:

• بررسی سطح شکست و چسبندگی الیاف به ماتریس.
• مشاهده ترک‌ها و نحوه گسترش آن‌ها در مرز فیبر-ماتریس.

ج) طیف‌سنجی:

• بررسی تغییرات شیمیایی و گروه‌های عملکردی سطح الیاف پس از اصلاح.

کاربردهای صنعتی بایوکامپوزیت‌ها

1. ساختمان و عمران:

1. • پانل‌های دیواری سبک، عایق‌ها و سازه‌های مقاوم به رطوبت.

2. خودروسازی:

1. • قطعات سبک و مقاوم به ضربه برای بدنه و داخل خودرو.

3. صنعت هوافضا:

1. • قطعات سبک با استحکام بالا برای هواپیماها.

4. بسته‌بندی زیست‌تخریب‌پذیر:

1. • جایگزین مناسب برای پلاستیک‌های سنتزی.

5. قطعات صنعتی و سازه‌ای:

1. • صفحات مقاوم در برابر ضربه و ارتعاشات شدید.

نتایج و یافته‌های کلیدی آزمایش‌ها

1. الیاف اصلاح شده با قلیا و استیلاسیون، مقاومت خمشی و برشی را به میزان قابل توجهی افزایش دادند.
2. مواد اصلاح شده پایداری ابعادی بهتری داشتند و حساسیت آن‌ها به رطوبت کاهش یافت.
3. چسبندگی قوی‌تر باعث افزایش استحکام ضربه‌ای و کنترل بهتر ترک‌ها شد.

نتیجه‌گیری و پیشنهادها

بایو کامپوزیت‌ها با اصلاح الیاف طبیعی پتانسیل بالایی برای جایگزینی مواد سنتزی دارند. این فناوری با بهبود چسبندگی و خواص مکانیکی، برای کاربردهای ساختمانی، خودرویی و صنعتی بسیار مناسب است.

پیشنهادهای تحقیقاتی آینده

• مطالعه دقیق‌تر بر روی پیوندهای شیمیایی و مکانیکی در مقیاس نانو.
• توسعه روش‌های اقتصادی و زیست‌محیطی برای اصلاح الیاف.
• بررسی عملکرد این مواد در شرایط محیطی شدید و بارگذاری‌های دینامیکی.