Calotropis gigantea 繊維の機械的および熱的安定性に関する研究

Scientific Reports volume 13、記事番号: 16291 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

最近の傾向では、軽量用途に天然繊維を導入することで合成材料の使用量が削減されています。 この研究では、強化相 (40%) としてマダール (Calotropis gigantea) 繊維が選択され、マトリックス材料として選択されたふすまフィラーとエポキシ ポリマーがブレンドされています。 ハイブリッド複合材の機械的特性を計算するために、繊維とフィラーの重量比が異な​​る 5 つの複合材積層体を作成しました。 結果は、マダール繊維の重量比率が増加すると、複合積層体サンプル (A) で引張強さ (20.85 MPa)、曲げ強さ (24.14 MPa)、衝撃エネルギー吸収 (23 J) などの優れた機械的特性が観察されたことを示しています。 ）この複合材料に対するふすまナノフィラーの重量比の増加と比較した。 同時に、ふすまナノフィラーを増やすことで、分解温度 445 °C までの熱安定性を向上させることができます。 機械的試験を行う前に走査型電子顕微鏡（SEM）分析を実施することにより、マダール繊維、ふすまナノフィラー、およびエポキシマトリックス間の表面相互作用を分析し、また、ラミネートが途中で破壊された後にSEM試験を実施することにより故障モードを特定する。ハイブリッド複合材料の機械的テスト。

天然繊維強化複合材料は、合成繊維強化複合材料に代わる研究で使用するために開発されています。 マトリックスと繊維は、環境に優しく生分解性のコンポーネントに置き換えられました1。 建物、橋、およびボートの船体、プールのパネル、レーシングカーの車体、シャワー室、バスタブ、保管容器、模造花崗岩、人工大理石の洗面器やカウンタートップなどの構造物は、通常、複合材料で作られており、自動車用途でも使用されることが増えています。一般 2. フィラーは通常、微細なガラス、石英、またはシリカで構成され、修復物の弾性率、引張強さ、硬度、耐摩耗性を向上させ、重合収縮を軽減するために添加されます。 ドアパネル、ダッシュボードコンポーネント、荷物コンパートメント、シートクッション、背もたれ、ケーブルライニングなどのインテリアコンポーネントには、通常、天然繊維で強化された複合材料が使用されています3。 機械的強度に対する要求が高いため、屋外での用途は限られています。 天然繊維複合材料は、耐久性があり、安価で、軽量で、比強度が高く、非摩耗性で、非常に優れた機械的特性を持ち、環境に優しく、生分解性です4。 工業用麻、ジュート、亜麻は、優れた機械的、防音的、断熱的特性を備えた天然繊維です。 繊維の含有量と長さは、天然繊維強化複合材料の機械的および物理的特性に最も影響を与える要素です。 最近の傾向として、天然繊維の特性評価に関する研究がさらに行われています。 Calotropis gigantea 繊維は、セルロース含有量、結晶化度 (56.08%)、結晶子サイズ (2.05 nm)、および熱安定性 (> 220 °C) により、補強材として使用できます。これらの値は他の天然繊維に匹敵します。現在、Cocos nucifera、Luffa cyclin-drive、Eucalyptus grandis、Pinus elliotti、Curaua などのポリマーの強化剤として使用されています。 比較的大きな灰緑色の葉は長さ5～20cm、幅4～10cmで、対生します。 草本の下部は木質、空中、直立、分枝、円筒形で固体ですが、上部は羊毛状の糸で覆われ、淡い緑色で、ラテックスを含んでいます6。 高い強度対重量比に加えて、Madar 繊維強化ポリマー複合材料は、高い耐久性、剛性、減衰特性、曲げ強度、腐食、摩耗、衝撃、火災に対する耐性などの優れた特性を示します7。 繊維含有量が増加すると、引張特性が増加します。 この研究では、ポリプロピレンマトリックスが分解される前のサトウキビ繊維組成物を使用しました。 サトウキビ繊維は、他の繊維複合材料と比較すると、450°C で高い熱安定性を示します8。 示差走査熱量測定 (DSC) は、知覚温度の上昇が繊維が核形成部位の状態に達したことを示す熱量測定の一種です。 ポリマーが結晶化するため、サトウキビ繊維から作られた複合材料では材料の機械的特性と結晶化度が向上します。 このようなストランドの利用は、フィラメントの多額の費用がそれほど重要ではない航空および軍事用途で擁護される可能性がある9。 その長さによって露出した繊維の強化は、断面の測定よりもはるかに顕著です。 同時に、角度比率として知られる、断面寸法に対する長さの比率は大きく変動する可能性があります。 繊維強化プラスチック (FRP) は、その驚くべき明確な特性、たとえば、高い明確な品質と堅牢さ、軽量、配向による前進能力 (特に持続性) の結果として、現在の航空技術革新のさまざまな用途に効果的に利用されています。繊維は負荷とともに伝導します10。 植物の茎や葉の繊維から抽出された亜麻、ジュート、麻、ラミー、ケナフ繊維の組み込みは、植物の葉から切り離されます11。 植物の樹皮の外層から抽出されたサイザル麻、パイナップル、バナナの繊維を組み込むために、種子または有機製品のストランドが種子または天然物から分離されます12。 62% のベリリウムと 38% の Al を含むガス噴霧コントロールの押出成形品を使用して材料をテストしました。 この調査結果は、破壊靱性、疲労、熱伝導率、熱膨張係数など、ハイブリッド複合材料の機械的および熱的特性が向上していることを明らかにしています。 20% 天然繊維複合材料は、引張強度が 33% 増加し、引張弾性率が 75% 増加します。 これらの発見に基づいて、マトリックスを含むコイア繊維は保存されたコイア繊維の役割を確認し、充填剤ではなく強化剤として機能しました13。 KF/PFハイブリッド複合材料を製造するためにPALF（パイナップルの葉の繊維）とKF（ケナフの繊維）の表面を調整することで、優れた界面強度が得られ、材料の機械的強度が可能になります。 繊維強化複合材料の機械的特性は、繊維ネットワーク界面結合の品質にもかかわらず、繊維品質、弾性率、繊維長、配向などの多数のパラメータに依存します14。 繊維強化ポリマーマトリックスは、重量が適度に軽く、取り扱い器具への害が少なく、比較的機械的特性が優れているという点で、合成繊維よりも天然繊維の優れた特性と優れた点を備えているため、さまざまな用途で重要な検討事項となっています。たとえば、引張弾性率と曲げ弾性率、複合成形部品の表面完成度の向上、持続可能な資源、豊富であること、製造中の適応性、生分解性、健康上の危険性が無視できることなどです15。 NFRPC (天然繊維強化ポリマー複合材料) の幅広い利用は、さまざまな設計分野で急速に発展しています。 チョップドマダール繊維の重量分率が 9% 増加すると、ハイブリッド複合材料の衝撃エネルギー吸収能力がガジュマル繊維の重量分率よりも大幅に増加します。 この支配的なモードは、走査型電子顕微鏡の表面形態解析によって発見されました。 失敗するリスクがあります。 ハンドレイアップ技術によって調製された二方向マダール繊維エポキシ複合材料の機械的特性（硬度、引張強さ、衝撃強さなど）は、マダール 16 の重量とともに増加しました。 曲げ強度と層間強度は、最初はマダール繊維の充填量が 12 wt% まで減少し、その後マダール繊維の充填量が 48 wt% まで増加しました。 複合材料中のマダール繊維投入量の増加によって引き起こされる空洞の減少は、二方向マダール/エポキシ複合材料の機械的特性が増加する理由の 1 つです17。 ポリエステルとブレンドしたケナフの引張強度と弾性率は、それぞれ 381 ～ 712 MPa と 27 GPa でした 18。 別の研究では、マダールとバナナの繊維強化エポキシハイブリッド複合材料の機械的特性が調査されました。 この研究では、マダール/エポキシ複合材料にバナナを添加すると、引張強度、曲げ強度、衝撃強度などの機械的特性がそれぞれ 16%、3.9%、31.4% 増加することがわかりました 19。 さまざまなタイプの天然繊維強化ポリマー複合材料は、アウディ グループ、フォード、フォルクスワーゲン、メルセデスなどのドイツの自動車組織など、多くの自動車組織によってさまざまな自動車用途において奇妙な重要性を獲得しています。さまざまなタイプの天然繊維が置き換えられています。複合材料に合成繊維を使用。 また、複合材の熱劣化は、天然繊維複合材の効率を特定する必要があります20。