フィク繊維の効果とその加工 | 江蘇不織布グループ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15143 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究では、エポキシ樹脂 EP と南アメリカ原産の作物であるフィーク (Furcraea andina) をベースにしたバイオ複合材料の形態、機械的、熱的特性を調べます。 EP-fique バイオコンポジットは、fique 加工中に発生する産業廃棄物である fique パウダー-FP、不織布 fique 繊維マット-NWF、および 0°および 90° に配向した一方向性 fique 繊維マット-UF を使用して調製されました。 EP マトリックスにフィケを添加すると、EP 高分子鎖の動きが制限され、EP の熱安定性が向上します。 SEM 画像は、使用される繊維の形状 (粉末または繊維) とマットの配置によってバイオ複合材料の形態に変化が生じる可能性があることを示しました。機械的特性評価により、90°に配向したフィークパウダーとフィーク繊維がエポキシマトリックスの充填剤として機能し、0°に配向したフィーク繊維が EP マトリックスを強化し、引張弾性率と曲げ弾性率がそれぞれ最大 5700% と 1100% まで増加し、引張強度と曲げ強度が向上することが示されています。ニート EP と比較して、277% および 820% になります。得られた結果は、フィークパウダーやその他の天然繊維加工副産物からの製品の研究開発への関心を高めることができ、土壌や埋め立て地における大量の廃棄物や環境問題を軽減し、EP-フィークバイオ複合材料が自動車用途での使用が有望であることを示唆しています。セクタ。

フィーク繊維は、南米アンデス地方原産のフィーク植物 (Furcraea andina) から抽出され、サイザル麻やヘネケンとよく似た特徴を持っています1。コロンビア農業農村開発省は、2020 年に国内で約 19,000 トンのフィケ植物が生産されたと発表しました2。フィケの加工には、葉の切断、細断、発酵、乾燥、梱包といういくつかの段階が含まれます。しかし、葉 (繊維) のわずか 4% が使用および市場に出され、残りの 96% (粉末とバガス) は一般に土壌や埋め立て地に廃棄されるため、効率が低く、生産量が多いため深刻な環境問題を引き起こしています。そして蓄積（年間約100トン）。繊維は、非常に性能の低い伝統的な技術を使用した素朴な織機による手工芸品や袋の製造に使用されます。基本的に、農業および工業部門の課題は、廃棄された副産物を利用する代替手段を模索し、繊維を使った総合価値の高い製品を製造することです。最近の研究では、フィーク繊維が他の既知の天然繊維と競合して、技術用途向けの強化バイオ複合材料または天然繊維強化複合材料 (NFRC) を製造できることが示されています。近年、代替素材の開発のためにフィケなどの天然繊維を使用することへの関心が高まっています。主に、低コスト、低 CO2 排出、リサイクルの可能性、生分解性、ポリマーおよびセメント質マトリックスの性能向上、軽量、高可用性を備えた新しい持続可能な製品の製造に使用されます 3,4。これらの特性は、複合材料ベースの利点と考えることができます。ガラスやカーボンなどの合成繊維は、石油への依存やライフサイクル後の廃棄物管理の懸念を引き起こします。

いくつかの研究では、バイオ複合材料の機械的特性が、繊維含有量5,6、繊維の化学処理7、天然繊維の形状と配向8、粒子、短繊維と長繊維間の破損メカニズムの違いなどのいくつかの要因によって影響されることが示されています。強化バイオコンポジット9.

Salmanら10は、0°/90°および45°/-45°で配向したケナフ織物と、エポキシ、ポリエステル、およびビニルエステル樹脂で作られたそのバイオ複合材料の機械的および形態学的特性を研究した。彼らの結果は、繊維配向 0°/90° がバイオ複合材料の最高の機械的特性 (引張、曲げ強度、および弾性率) を引き起こすことを示しています。 Maharana et al.11 がエポキシ-ジュート-ケブラーハイブリッド複合材料の機械的特性に及ぼす繊維含有量と配向の影響に関して実施した別の研究では、30°の繊維配向で 40% の繊維負荷を与えるとハイブリッド複合材料の引張特性が向上するのに対し、曲げ特性は向上しないことが明らかになりました。 45° の繊維配向で 40% の繊維負荷で最大化されます。 Prabakaranら12は、0°/90°に配向したエポキシ-ガラス繊維複合材料および不織布マット複合材料の機械的特性に対する繊維配向の影響を研究しました。彼らの結果は、スピログラフ不織布のマットベース複合材が準等方性の繊維配向を示し、織物積層複合材と比較して優れた機械的性能を示すことを示しています。近年、小麦わら 13、バナナ、ケナフ 14、竹 15、サイザル麻 16、デーツ石粉 17 などのリグノセルロース系バイオマスを使用したエポキシベースのバイオ複合材料が報告され、製造されています。

この論文は、フィーク繊維マット (不織布、0° および 90° に配向) とパウダーがエポキシベースのバイオ複合材料の製造に効果的に使用できるかどうかに焦点を当てています。この研究では、樹脂フィルム注入プロセスを使用してエポキシベースのバイオ複合材料が製造されました。形態、熱、引張、および曲げ特性に対するフィークの影響も評価されました。これらの特性評価は、業界向けの代替ソリューションを開発するために重要です。私たちは、この天然繊維とその粉末加工残渣をエポキシベースのバイオ複合材料の強化材として使用することを評価し、地域経済、技術開発にプラスの影響を与え、フィケの用途範囲を拡大することを目指しています。ここで紹介する実現可能性研究は、スケーラブルなプロセスを使用し、提示されたバイオ複合材料から自動車部品のプロトタイプを開発するために使用され、バイオ複合材料製造用の充填剤として高度に生産された農産業副産物を含めることで、この記事の新規性を裏付けています。さらに、得られた結果は、フィークパウダーやその他の天然繊維加工副産物からの製品の研究開発への関心を高めることができ、土壌や埋め立て地に大量の廃棄物が発生し、環境への懸念が軽減されます。

使用したエポキシ樹脂 (EP) は、低粘度エポキシ樹脂タイプビスフェノール A、参照番号「R3610」、および変性脂環式アミン硬化剤、参照番号「E-1610」をベースとした汎用の低弾性エポキシ系でした。エポキシ樹脂および硬化剤は、Sintepox (ボゴタ、コロンビア) から購入しました。エポキシ系は、エポキシ樹脂と硬化剤を５０：５０（％ｗｔ／ｗｔ）の混合比でブレンドすることによって調製した。硬化したＥＰの平均測定密度は１．１１±０．０３ｇ／ｃｍ３であった。これらの測定は、多機能固体密度計 DA-300 (Dahometer、中国) を使用して、アルキメデス法による ASTM D792-13 規格に従って実行されました。

フィケパウダー (FP) および一方向フィケ (UF) マットは、「Empaques del Cauca」(コロンビア州ポパヤン) によって提供されました。 FP はフィーク繊維の加工時に発生する加工廃棄物で、400 μm の篩に通しただけです。不織布工業用フィケファイバーマット (NWF) は、「Packaging Company of Medellin」 (メデリン、コロンビア) から供給されました。UF および NWF マットは受け取ったまま使用し、バイオ複合材料の製造前に 80 °C のオーブンで 24 時間乾燥させました。 (図 1). フィークの平均密度は 0.78 ± 0.09 g/cm3 でした. この論文で開発された植物材料の収集を含む、植物 (栽培または野生) に関する実験研究および野外研究は、関連する機関、国の規制に準拠しています。、国際的なガイドラインと法律。

生フィーク：（a）パウダー（FP）、（b）不織布マット（NWF）、（c）一方向マット（UF）。

ニート EP および EP-fique バイオ複合材料シートは、テフロン金型 (300 mm × 300 mm) で樹脂フィルム注入技術を使用して製造されました。すべてのバイオ複合材料について、EP-fique 組成は、密度測定によれば 70/30 (% wt/wt) または 62/38 (% v/v) でした。 EP フィークマットの場合、テフロン金型の表面を最初に EP の薄層でコーティングし、次にフィークマットを金型上に配置して 3 つの異なる配置を得ました。不織布フィークを使用した EP-NWF と 0 で配向した繊維を使用した EP-UF です。 ° と 90° (図 4 を参照)。その後、フィケマットにさらに EP を充填し、吸収されるまで放置しました。 EP-FP バイオ複合材料の場合、均一な混合物が得られるまで EP と FP を手動で混合しました。この混合物を真空チャンバー内に５分間放置して、５分間の混合中に生じた気泡をすべて失い、次いで金型内に広げた。最後に、モールドを柔軟なフィルムの内側に置き、真空条件下、室温で 24 時間放置して硬化させました (図 2)。

樹脂フィルム注入プロセス (左) と樹脂フィルム注入プロセスで得られた未加工の EP および EP-FP バイオ複合シート (右)。

得られた EP-fique バイオ複合材料シートは、樹脂フィルム注入技術により、大規模な自動車部品に使用できる、fique 繊維と粉末が十分に分散された均質なシートの製造を可能にすることを示しています。提案手法を用いることで、天然繊維や加工廃棄物を工業生産に活用することが可能となります。

純粋な EP および EP-fique バイオ複合材料シートの準備ができたら、それらを金型から取り出し、ウォータージェットカッター (Protomax-Omax、ケント、米国) を使用してさまざまな引張試験片および曲げ試験片に切断しました。材料は他の切断方法で発生する高温に敏感であるため、ウォータージェット切断手順が選択されました。

研究したバイオ複合材料から、EP-UF 0°を選択して 2 つの自動車部品を組み立て、樹脂フィルム注入などの実際の製造プロセスでこれらの材料の機能を観察しました。 EP-UF の重量分率は 70/30 (% wt/wt) または 62/38 (% v/v) であり、その機械的特性評価結果に基づいて選択されました (「機械的特性」セクションを参照)。プロトタイプ部品を取得するには、 2 つのキャビティ (オスとメス) で構成される 2 つの金型は、木材の切断が行われる CNC ルーターの作業領域のリソース制限のため、大規模に製造されました。金型の準備後、手順に従って部品が製造されました。「バイオ複合材料の調製」セクションで説明されています。図 3 は、使用した金型と、硬化プロセス前の金型内のマットと樹脂の配置を示しています。

樹脂フィルム注入法による自動車部品の製造に使用される金型と形状。

走査型電子顕微鏡 (SEM) Phenom PRO X (Thermo Fisher Scientific、米国) を使用して、サンプルの大部分の断面積、繊維と粉末の分布、および形態学的特徴をスキャンしました。サンプルを液体窒素に 15 分間浸漬して脆性破壊を行い、導電性を高めるために金でスパッタコーティングしました。 10 kV の電圧を印加し、倍率 500 × および 2000 × を撮影しました。

ニートエポキシ樹脂、エポキシフィークベースのバイオ複合材料、フィークパウダーおよびフィークファイバーを、DSC および TGA を使用して熱特性評価しました (データは補足情報で入手可能)。ニートエポキシ樹脂、エポキシフィークベースのバイオ複合材料の DSC テストは、TA Q2000 示差走査熱量計 (Texas Instruments、テキサス州ダラス、米国) を使用して、以下の条件下で実施されました。

窒素雰囲気

スキャン速度 10 °C/min

サンプル重量 10 mg

処理イベントに関連する熱履歴を消去するために、サンプルは最初に 20 ～ 150 °C の範囲の加熱サイクルにさらされました。続いて冷却サイクルを行い、温度を 150 °C から -20 °C に下げました。最後に、2 回目の加熱サイクルで -20 °C から 150 °C まで上昇します。この研究では、冷却サイクルと 2 回目の加熱サイクルが報告されました。

熱重量分析 (TGA) テストは、TA Q500 熱重量計 (Texas Instruments、米国テキサス州ダラス) を使用し、25 ℃から 600 ℃ まで昇温速度 10 ℃/分で温度を上昇させて実行しました。 DSC および TGA サンプルは、N2 雰囲気下のアルミニウムるつぼ内で分析されました。

引張試験と 3 点曲げ曲げ試験は、万能試験機 INSTRON モデル 3366 (INSTRON、米国マサチューセッツ州ノーウッド) で次の条件で実行されました。

コンディショニングは 23 °C、相対湿度 50% で 7 日間実行されました。

引張試験は、軸方向伸び計 INSTRON モデル 2630 (ゲージ長 50 mm) (INSTRON、米国マサチューセッツ州ノーウッド) およびタイプ I 試験片 (ASTM-D 638-14) を使用し、クロスヘッド速度 5 mm/min で実施しました。

曲げ試験は、ASTM D 790 に従って、クロスヘッド速度 1.3 mm/min、支持スパン間の距離 50 mm、最大 5% のひずみを使用して、長方形断面 (12.5 mm * 3 mm) のバーで実行されました。 17標準。

結果は 5 つのサンプルの平均から得られました。

図 4 は、引張試験と曲げ試験に使用した EP-fique バイオ複合材料の試験片を示しています。 EP-FP バイオ複合材料 (図 4a) では、表面によく分散されたフィク粉末粒子が観察されました。フィークマットからのバイオ複合材料では、長いフィーク繊維が 0° (図 4b)、90° (図 4c) に配向し、二次元のランダムな配置 (図 4d) で観察できます。

(a) EP-FP (b) EP-UF 0° (c) EP-UF 90°、および (d) EP-NWF バイオコンポジットの引張サンプルと曲げサンプル。

材料の引張特性と曲げ特性には分散分析 (ANOVA) が適用され、Tukey の検定が 0.05 の有意水準で適用されました。すべての統計分析は、Minitab Statistical Software Release 12 (ペンシルベニア州、米国) を使用して実行されました。

図 5 は、EP の機械的特性に対するフィケの添加の影響を示しています (データは補足情報で入手可能)。これらの結果もまとめて表 1 に示します。

そのままの EP およびその EP に似たバイオ複合材料の平均引張応力および曲げ応力対変形。

引張試験では、フィークパウダーと繊維を組み込むと、EP-FP および EP-UF 0° (加えられた荷重と平行に UF を配向) の場合、2600 ～ 5700% の引張弾性率 (TM) 値が大幅に増加 (p < 0.05) することが示されています。きちんとしたEPマトリックス。この硬化効果は、フィークのより高い機械的特性と、DSC テスト (「熱特性」セクション) で観察されたフィーク繊維による EP 移動度の低下によって引き起こされます。

EP-FP および EP-UF 90° (加えられた荷重に対して垂直に配向した UF) の引張強度 (TS) は、EP と有意な差はありませんでした (p ≥ 0.05)。ただし、EP-NWF および EP-UF 0°の TS 値は、EP と比較して、それぞれ 71% および 277% 増加しました。これらの結果は、フィークパウダーと 90° 配向の一方向フィケマットが充填材として機能するのに対し、0° 配向の不織一方向フィケマットは EP マトリックスを強化したことを示しています。

PP-Kenaf18 および HDPE-henequen19 バイオ複合材料に対して行われた以前の研究では、加えられた荷重 (0°) に対して平行に配向された繊維を持つバイオ複合材料は、同じ加えられた荷重に寄与することができ、繊維の破損が最小限に抑えられるため、はるかに長い繊維構造を有することが示唆されました。したがって、荷重が均一に分散されるため、バイオ複合構造の強化に役立ちます。一方、90°配向のバイオコンポジットは、サポートする引張荷重が小さいため、繊維の破損が多くなります 18,19。したがって、EP-fique バイオ複合材料の機械的性能は、構造と繊維の配向角度に大きく依存します。

図 6 は、EP-UF 90° バイオ複合材料の破損が発生し、90° の配向角でフィーク繊維に沿って伝播することを示しています。これは、0° に配向した EP-UF バイオ複合材料が EP-FP および EP-UF 90° サンプルと比較して良好な引張強度を維持できた理由も説明します。また、セルロース含量が高く、アスペクト比 (L/D) が高い天然繊維は、強化要素とマトリックス間の接触がより広い表面で発生するため、より高い強化効果に寄与する可能性があります。

引張試験後に EP-FP、EP-UF 0°、EP-UF 90°複合材料で観察された破壊モード。

同時に、フィークの組み込みは EP マトリックスの破断時変形 (εb) を減少させます。これは、バイオ複合材料の変形能力に影響を与える界面の不連続性の硬化効果だけでなく、フィークと EP の間の弱い界面結合に関連している可能性があります (参照) 「形態」セクション)。EP-FP サンプルでは、表面積が増加するため、マトリックスとフィーク粒子の間の界面面積が増加し、その結果、εb 値が 90 から 2.8% に減少します。EP-fique マットバイオ複合材料に関しては、εb が減少します。 EP マトリックスと比較して、EP-UF 90° および EP-UF 0° でそれぞれ 97 ～ 80% でした (p < 0.05)。この結果は、EP 繊維とフィーク繊維の間のより大きな応力伝達と、マトリックス内での繊維の滑りに関連している可能性があります。 EP-UF 0°配向の場合、曲げ試験の結果、曲げ弾性率 (FM) 値は、純粋な EP と比較して、バイオ複合材料 EP-90° および EP-UF 0° でそれぞれ約 340 および 1100% 増加することが示されています。純粋な EP と比較して、EP-90° および EP-UF 0° ではそれぞれ約 430 および 820% 増加します。

一般的に言えば、フィーク繊維の添加はエポキシマトリックスの機械的特性を改善し、剛性と耐性が重要な要素である自動車部品などの製品用途に関連する剛性と強化効果を生み出します。結果は、0°に配向した長いフィーク繊維が分析されたサンプルの中で最高の機械的特性を生成することを示しました。したがって、フィーク繊維の配向はバイオ複合材料の性能と品質に影響を与えるため、フィーク繊維の配向に関する議論も重要です。

図 6 は、引張試験後の EP-FP および EP-UF バイオ複合材料の試験片と破壊メカニズムを示しています。 EP-FP および EP-UF 90° バイオ複合材料の場合、破壊はマトリックスとマトリックス内で 90° に配向した分散フィク粒子または長繊維の同時破損によって発生することに注意してください。 EP-UF 0° サンプルの場合、まず母材の破壊が発生し、次に整列したフィケ繊維が続きます。

粒子と配向繊維で配合された複合材料間の破壊メカニズムのこの違いは、他の研究者によってすでに観察されています9,20。これらの研究により、破断面は、マトリックスと繊維の間の界面の抵抗が最小である領域、または繊維が欠如している領域またはマトリックスとの接着が存在しない領域で得られると結論付けられました。

引張試験の結果は、0°に配向した一方向フィーク繊維が EP マトリックスの強化材として機能し、引張強度に有意な差が生じなかった 90°に配向したフィークパウダーとフィーク繊維と比較して、引張強度がほぼ 300% 増加することを示しています。強さ。引張試験中に発生する応力は、繊維とマトリックスの間にせん断応力 (τ) を引き起こし、界面の剥離を引き起こします。界面の端では、マトリックスから繊維への応力伝達は軸方向界面の τ に依存します。 EP-FP および EP-UF 90° バイオ複合材料の場合、粒子、配向繊維、およびマトリックスの間の界面は試験中に簡単に解けますが、EP-UF 0° バイオ複合材料の場合、応力 (τ) が発生します。 EP およびフィーク繊維の接着力が大きくなり、強化要素とマトリックス間の接触面が大きくなるため、界面のエッジが高くなります。したがって、観察された破壊メカニズムと一方向性フィケ繊維を備えたバイオ複合材料で観察された強化について説明します。

冷却曲線は結晶化発熱がないことを示しており、EP および EP タイプのバイオ複合材料が冷却中に結晶化を示さないことを示しています (図 7a)。2 番目の加熱サイクル (図 7b) はガラス転移温度 (Tg) を示しています。 22℃でのEPの。フィークパウダーとフィークファイバーを追加すると、この温度はそれぞれ 29 °C と 57 °C に上昇します。この Tg 値の増加は、フィケの存在が EP 鎖の移動性に影響を与えることを示しています。ただし、この効果は EP-UF バイオ複合材料の方が大きくなります。これは、フィークパウダーと比較してフィークファイバーの補強効果が大きく、EP高分子鎖の動きを制限することに関連している可能性があります。最近、EP-NWF マットバイオ複合材料について同様の結果が Hidalgo と Correa によって報告されました 3。

ニート EP およびそのフィクバイオ複合材料の (a) 冷却と (b) 二次加熱。

熱重量測定 (TG) および温度に対する微分熱重量測定 (DTG) 曲線を使用して、フィークパウダー、フィークファイバー、EP およびそれらのフィークバイオ複合材料の熱安定性を測定しました。結果を図２〜図５に示す。これらのテストの熱結果も表 2 にまとめてあります。

(a) フィーク繊維とフィークパウダーの TGA および (b) DTG。

ニートエポキシ樹脂と EP-fique バイオコンポジットの TGA。

フィーク繊維と粉末では、3 つの主要な部分の質量損失が観察されました。 60 ～ 100 ℃ の間にある最初のゾーンは、サンプルの表面に存在する水分の蒸発に関連しています。他の 2 つは 250 ～ 350 °C と 350 ～ 600 °C の間に位置し、それぞれヘミセルロースとセルロースの分解に関連しています。これらの領域の分解開始温度 (To) は、フィクパウダーと比較してフィクファイバーの方が高くなります。これは、フィク繊維の外側ゾーンから発生し、繊維のもつれをほぐすプロセス中に工業規模で製造されるフィクパウダーに関連しています。このフィクパウダーにはワックスや細胞成分が含まれている可能性があり、熱安定性が低下する可能性があります。 DTG 曲線は、ヘミセルロースの最大重量損失速度温度 (Tmax) に関連する最初のピークを示しています。フィーク粉末の場合は 256 °C、フィーク繊維の場合は 298 °C にあります。 2 番目のピークはセルロースの Tmax に関連しており、フィーク繊維の方が高くなります。

DTG 曲線で観察されるピークの高さは、ポリマーブレンド 21 やリグノセルロース残基 22 など、いくつかの材料の濃度にも関連しています。 DTG 曲線から、セルロース分解に関連するピークの高さは、フィーク粉末と比較してフィーク繊維の方が高いことが観察されます。これは、フィーク繊維のセルロース含量が高いことに関連している可能性があります。

図 9a は、EP 分解とそれらの微細なバイオ複合材料が 2 段階のプロセスで発生することを示しており、したがって、これらの材料が同様の熱劣化挙動を示すことが示されています。最初の分解ステップは 90 ～ 200 °C で起こり、EP の小分子の分解が原因です。 2 番目の分解ステップは 250 ～ 500 ℃ の範囲で観察され、主ポリマー鎖の分解を示します 3,23。どちらの分解ステップでも、フィクバイオ複合材料の To 値は、ニート EP の To 値よりも高かった。この結果は、EP-NWF マットバイオ複合材料についてすでに観察され、報告されています 3。

フィークバイオ複合材料の Tmax 値は、ニート EP で観察された値よりも高かった (図 8b)。彼らは、フィク粉末とフィク繊維が EP の熱安定性を向上させることを示しています。これらの結果は、熱可塑性樹脂 5、24、25 および熱硬化性マトリックス 3、11 をベースとしたいくつかのバイオ複合材料で報告されており、これらの材料の性能と使用温度における利点と考えることができます。

EP-fique バイオ複合材料の SEM 顕微鏡写真を図 10 に示します。これらの画像では、使用した fique の種類 (粉末または繊維) と fique マットの配置によってバイオ複合材料の形態に変化が生じることが観察できます。

EP-fique バイオ複合材料の断面積の SEM 顕微鏡写真。

EP-FP バイオ複合材料の場合、EP マトリックス内で直径約 100 µm の半円形で細長いフィーク粉末粒子が観察されました。使用されるフィックマットと繊維の配向により、マトリックス内の繊維の方向と分散に変化が生じます。 EP-UF 0° および EP-UF 90° バイオ複合材料の場合、繊維はそれぞれ破面に対して垂直および平行に整列しますが、EP-NWF 複合材料では、繊維は 2 次元のランダムな配置になります。さらに、観察された界面空間 (図 10 の黄色の円) は、フィークとエポキシマトリックス間の弱い界面結合を示しており、観察された破断時の変形の減少に関連している可能性があります (「機械的特性」セクション)。

自動車部品の設計プロセスは、SolidWorks サーフェスモジュールを使用して実行されました。このモジュールを使用すると、主線のスケッチの生成と、他の方法では生成できない複雑な形状のサーフェスを備えたコーティングを生成できます。サーフェスモジュールの利点の 1 つは、オブジェクトの主な視点が使用される 3D モデリングプロセスを実行できることです。次に、それぞれが対応する平面に配置され、空間内に線形システムが生成されます。その座標は、対応する各平面によって影響されます。そうすることで、側面図、上面図、正面図を個別にスケッチし、結合して複雑なスケッチを生成できます。この研究では、完全なスケールの自動車が設計され、EP-UF 0° バイオ複合材料を使用して 2 つの部品 (ドアとボンネット) が製造されました (図 11)。この選択は、引張試験および曲げ試験中に達成されたより高い弾性率と抵抗性によるものです。機械的試験中に加えられた荷重に対して平行に配向したフィケ繊維と繊維の硬化効果により、文献で報告されている他の自動車市販製品と同等の引張強度と曲げ強度 (それぞれ 36.6 MPa と 21.2 MPa) を備えた剛性のバイオ複合材料を得ることができました 18 。また、樹脂フィルムの注入処理により金型内にかなりの圧力が発生する可能性があり、硬化中にフィーク繊維と EP を均一に圧縮することが可能になります。このようにして、均一な厚さおよび均質性を有するスケール化された自動車部品を得ることができ、自動車部品の製造のためにスケール化することができる。

EP-UF 0° バイオコンポジットから製造された自動車部品 (ドアおよびボンネット) (スケール 1:5)。

この研究は、樹脂フィルム注入を使用したエポキシ樹脂ベースのバイオ複合材料製造における天然フィク繊維とその加工副産物の使用、およびこれらの材料の機械的および熱的特性に対する天然繊維の形状と配向の影響を研究することを目的としていました。この論文で示された結果を考慮すると、次の結論が導き出されます。

機械的特性評価により、配向角 0°で整列したフィーク繊維は、そのままの EP と比較して、引張弾性率と曲げ弾性率がそれぞれ最大 5700% および 1100% 増加することが示されました。また、フィークパウダー (フィーク繊維加工の副産物) と 90° に配向したフィーク繊維はエポキシマトリックスの充填剤として機能し、0° に配向したフィーク繊維は EP マトリックスを強化し、引張強度を最大 277% まで高め、曲げ強度を向上させます。最大820%。この挙動は、繊維配向およびより高いアスペクト比 (L/D) による荷重の均一な分布に関連しており、これが EP-UF 0° バイオ複合材料のより高い補強効果に寄与する可能性があります。したがって、EP-fique バイオ複合材料の機械的性能は、構造と繊維の配向角度に大きく依存します。

熱特性評価では、フィークパウダーとフィークファイバーが EP 高分子鎖の動きを制限し、EP の熱安定性を高めることが示されています。これらの結果は、フィークベースのバイオ複合材料の性能と使用温度に対する利点と考えることができます。引張および曲げの機械的特性評価により、フィク粉末および繊維の組み込みが EP マトリックスの硬化効果を誘発することが示されました。

SEM 画像は、使用したフィークの形状 (粉末または繊維) と繊維の配向 (0° または 90°) によってバイオ複合材料の形態と界面空間の変化が生じ、これはフィークとエポキシマトリックス間の界面結合が弱いことを示していることを示しました。したがって、この論文で観察されたように、破断時の変形が減少する可能性があります。

樹脂フィルム注入法により、均一な厚さで均質性の高いバイオコンポジットシートや自動車部品の試作品を製造することができます。これらの部品は本格的な部品生産に向けて製造することができます。これらの発見は、EP-fique バイオ複合材料を天然繊維ベースの製品として自動車分野での用途の代替材料として検討する可能性を明確に示しており、fique パウダーやその他の天然繊維加工副産物の蓄積を減らす製品の研究開発への関心が高まる可能性があります。土壌や埋め立て地における環境問題への配慮、地域経済へのプラスの影響、技術開発、用途の拡大などに貢献します。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文とその補足情報ファイルに含まれています。

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私たちは、オクシデンテ自治大学 (カリフォルニア-コロンビア) の技術的および財政的支援に感謝の意を表します。 SEM 測定のために、Universidad del Valle (Cali-Colombia) の Center of Excellence in New Materials に送られました。著者らは、不織布工業用フィケマットを提供していただいた「Compañia de Empaques de Medellin」（コロンビア・メデジン）と、フィケ原料の繊維と粉末を提供していただいた「Empaques del Cauca」（コロンビア・ポパヤン）に感謝したいと思います。

製造技術研究グループ GITEM、西自治大学、カリ、コロンビア

ニコラス・センテノ＝メサ、オスカル・ロンバナ＝トロ、フアン・P・コレア＝アギーレ、ミゲル・A・イダルゴ＝サラザール

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NCM: データのキュレーション、形式的な分析、調査、執筆 - 原案。 OLT: データキュレーション、形式分析、調査、執筆 - 原案。 JPC: データのキュレーション、形式的な分析、調査、執筆 - レビューと編集。 MHS: 概念化、形式分析、資金調達、方法論、調査、監督、執筆 - レビューと編集。著者全員が原稿をレビューしました。

フアン・P・コレア＝アギーレ氏への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Centeno-Mesa, N.、Lombana-Toro, O.、Correa-Aguirre, JP 他フィーク繊維とその加工副産物がエポキシベースのバイオ複合材料の形態、熱的および機械的特性に及ぼす影響。 Sci Rep 12、15143 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-18934-x

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受信日: 2022 年 1 月 24 日

受理日: 2022 年 8 月 22 日

公開日: 2022 年 9 月 7 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18934-x

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