Studi sulla stabilità meccanica e termica della fibra di Calotropis gigantea

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 16291 (2023) Citare questo articolo

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Nelle tendenze recenti, l’utilizzo di materiali sintetici è stato ridotto introducendo fibre naturali per applicazioni leggere. In questo studio, la fibra Madar (Calotropis gigantea) viene selezionata per la fase di rinforzo (40%) e il polimero epossidico viene miscelato con il riempitivo di crusca selezionato come materiale di matrice. Per calcolare le caratteristiche meccaniche dei compositi ibridi, sono stati realizzati cinque laminati compositi con diversi rapporti in peso fibra/riempitivo. I risultati mostrano che quando il rapporto in peso della fibra madar è aumentato, sono state osservate proprietà meccaniche superiori nel campione di laminato composito (A), come resistenza alla trazione (20,85 MPa), resistenza alla flessione (24,14 MPa), assorbimento dell'energia d'impatto (23 J ) a fronte di un aumento del rapporto in peso tra il nanoriempitivo di crusca e questo materiale composito. Allo stesso tempo, l’aumento dei nanoriempitivi di crusca può migliorare la stabilità termica fino a 445 °C di temperatura di degradazione. Analizzare l'interazione superficiale tra le fibre madar, i nanoriempitivi di crusca e la matrice epossidica conducendo l'analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM) prima di sottoporli al test meccanico e anche identificare la modalità di guasto conducendo il test SEM dopo che i laminati si sono rotti durante le prove meccaniche del composito ibrido.

Sono in fase di sviluppo compositi rinforzati con fibre naturali da utilizzare nello studio per sostituire i compositi rinforzati con fibre sintetiche. La matrice e le fibre sono state sostituite con componenti ecocompatibili e biodegradabili1. Edifici, ponti e strutture come scafi di barche, pannelli di piscine, carrozzerie di auto da corsa, box doccia, vasche da bagno, contenitori di stoccaggio, finto granito e vasche e controsoffitti in marmo coltivato sono generalmente costruiti con materiali compositi, sempre più utilizzati anche nelle applicazioni automobilistiche in Informazioni generali 2. I riempitivi sono generalmente costituiti da vetro fine, quarzo o silice e vengono aggiunti per migliorare il modulo elastico, la resistenza alla trazione, la durezza e la resistenza all'abrasione del restauro e ridurre la contrazione da polimerizzazione. I componenti interni, come i pannelli delle porte, i componenti del cruscotto, i vani portaoggetti, i cuscini dei sedili, gli schienali, i rivestimenti dei cavi, ecc., sono tipicamente realizzati con materiali compositi rinforzati con fibre naturali3. A causa dell’elevata richiesta di resistenza meccanica, le applicazioni esterne sono limitate. I compositi in fibra naturale sono durevoli, economici, leggeri, hanno un'elevata resistenza specifica, non sono abrasivi, hanno proprietà meccaniche abbastanza eccellenti, sono rispettosi dell'ambiente e biodegradabili4. La canapa tecnica, la iuta e il lino sono fibre naturali con eccellenti proprietà di isolamento meccanico, acustico e termico. Il contenuto e la lunghezza delle fibre sono i fattori più influenti sulle proprietà meccaniche e fisiche di un composito rinforzato con fibre naturali. Nelle tendenze recenti, vengono condotte ulteriori ricerche sulla caratterizzazione delle fibre naturali. Le fibre di Calotropis gigantea possono essere utilizzate come rinforzo grazie al loro contenuto di cellulosa, indice di cristallinità (56,08%), dimensione dei cristalliti (2,05 nm) e stabilità termica (> 220 °C), secondo cui questi valori sono paragonabili a quelli di altre fibre naturali attualmente utilizzati come agenti rinforzanti nei polimeri, come Cocos nucifera, Luffa cyclin-drive, Eucalyptus grandis, Pinus elliotti, Curaua, ecc.5. Le sue foglie relativamente grandi di colore verde-grigiastro sono lunghe 5–20 cm e larghe 4–10 cm e sono prodotte in coppia. Le porzioni inferiori erbacee sono legnose, aeree, erette, ramificate, cilindriche e solide, mentre le porzioni superiori sono ricoperte da filamenti lanosi, di colore verde chiaro e contengono lattice6. Oltre a un elevato rapporto resistenza/peso, il composito polimerico rinforzato con fibra Madar dimostra proprietà straordinarie come elevata durabilità, rigidità, proprietà di smorzamento, resistenza alla flessione e resistenza alla corrosione, all'abrasione, all'impatto e al fuoco7. L'aumento del contenuto di fibre aumenterà la proprietà di trazione. Prima della decomposizione della matrice di polipropilene, in questa indagine abbiamo utilizzato la composizione in fibra di canna da zucchero. La fibra di canna da zucchero, rispetto ad altri compositi fibrosi, avrà un'elevata stabilità termica a 450°C8. La calorimetria differenziale a scansione (DSC) è un tipo di calorimetria in cui un aumento della temperatura percepita indica che la fibra ha raggiunto lo stato del sito nucleante. Poiché il polimero cristallizza, le proprietà meccaniche e di cristallinità del materiale migliorano nei compositi realizzati con fibre di canna da zucchero. L'utilizzo di tali filamenti può essere difeso per applicazioni aeronautiche e militari dove il costo significativo dei filamenti non è di grande importanza9. Il rinforzo della fibra esposta dalla sua lunghezza è molto più evidente delle misurazioni della sezione trasversale. Allo stesso tempo, la proporzione tra la lunghezza e la misura della sezione trasversale, nota come proporzione angolare, può variare in modo significativo. Le materie plastiche rinforzate con fibre (FRP) sono efficacemente utilizzate per diversi utilizzi dell'attuale innovazione aeronautica grazie alle loro sorprendenti proprietà esplicite, ad esempio, elevata qualità e solidità esplicite, peso ridotto e capacità di avanzamento orientandosi (particolarmente persistente) fibre insieme alla condotta del carico10. L'incorporazione di fibre di lino, iuta, canapa, ramiè e kenaf estratte dallo stelo delle piante e dalle fibre fogliari viene svincolata dalle foglie delle piante11. Per incorporare le fibre di sisal, ananas e banana estratte dallo strato esterno della corteccia della pianta e dei filamenti di semi o prodotti biologici vengono separati dai semi o dai prodotti naturali12. Per testare i materiali è stata utilizzata un'estrusione di controllo atomizzato in gas contenente il 62% di berillio e il 38% di Al. I risultati rivelano che le proprietà meccaniche e termiche dei compositi ibridi, come resistenza alla frattura, fatica, conduttività termica e coefficiente di dilatazione termica, sono migliorate. I compositi costituiti per il 20% da fibre naturali mostrano un aumento del 33% della resistenza alla trazione e un aumento del 75% del modulo di trazione. Sulla base di questi risultati, le fibre di cocco con matrice hanno confermato il ruolo della fibra di cocco preservata e sono servite come agente rinforzante piuttosto che come riempitivo13. La regolazione della superficie di PALF (fibra di foglie di ananas) e KF (fibra di Kenaf) per la fabbricazione dei compositi ibridi KF/PF offre una resistenza interfacciale superiore, consentendo la resistenza meccanica dei materiali. Le caratteristiche meccaniche del composito rinforzato con fibre si basano su numerosi parametri, come la qualità delle fibre, il modulo, la lunghezza delle fibre e l'orientamento, nonostante la qualità del legame interfacciale della rete di fibre14. La matrice polimerica rinforzata con fibre diventa una considerazione significativa in varie applicazioni come risultato delle grandi proprietà e dei migliori punti di interesse della fibra naturale rispetto alle fibre sintetiche in termini di peso moderatamente basso, meno danni ai dispositivi di manipolazione, grandi proprietà meccaniche relative, per ad esempio, modulo di trazione e modulo di flessione, migliore completamento superficiale delle parti sagomate composite, risorse sostenibili, abbondanza, adattabilità durante la preparazione, biodegradabilità e rischi trascurabili per la salute15. L’ampio utilizzo dell’NFRPC (composito polimerico rinforzato con fibre naturali) si sta sviluppando rapidamente in vari campi della progettazione. Un aumento del 9% del peso della frazione di fibra di madar tritata aumenta la capacità di assorbimento dell'energia d'urto del composito ibrido in modo più considerevole rispetto alla frazione di peso della fibra di banyan. La modalità dominante è stata scoperta tramite l'analisi morfologica della superficie al microscopio elettronico a scansione. C'è il rischio di fallimento. Le proprietà meccaniche dei compositi epossidici in fibra madar bidirezionale preparati con la tecnica di laminazione manuale, come durezza, resistenza alla trazione e resistenza agli urti, aumentano con il peso di Madar16. Le resistenze alla flessione e interlaminari inizialmente sono diminuite fino al 12% in peso del carico di fibra madar e poi sono aumentate fino al 48% in peso del carico di fibra madar. La diminuzione delle cavità causata da un aumento dell'apporto di fibre madar nei compositi è uno dei motivi per cui le proprietà meccaniche dei compositi bidirezionali Madar/epossidici aumentano17. La resistenza alla trazione e il modulo elastico del kenaf miscelato con il poliestere erano rispettivamente di 381–712 MPa e 27 GPa18. In un altro studio, sono state studiate le proprietà meccaniche dei compositi ibridi epossidici rinforzati con fibra di madar e banana. Lo studio ha rilevato che l’aggiunta di banana ai compositi madar/epossidici ha aumentato le proprietà meccaniche come resistenza alla trazione, alla flessione e all’impatto rispettivamente del 16%, 3,9% e 31,4%19. I vari tipi di compositi polimerici rinforzati con fibre naturali hanno acquisito uno strano significato in diverse applicazioni automobilistiche da parte di numerose organizzazioni automobilistiche, come le organizzazioni automobilistiche tedesche, come Audi Group, Ford, Volkswagen, Mercedes, ecc. Diversi tipi di fibre naturali stanno sostituendo usi di fibre sintetiche nel composito. Inoltre, la degradazione termica del composito deve identificare l’efficienza del composito in fibra naturale20.