Estudos sobre a estabilidade mecânica e térmica da fibra de Calotropis gigantea

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 16291 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Nas tendências recentes, o uso de materiais sintéticos foi reduzido com a introdução de fibras naturais para aplicações leves. Neste estudo, a fibra Madar (Calotropis gigantea) é selecionada para a fase de reforço (40%), e o polímero epóxi é misturado com enchimento de farelo selecionado como material de matriz. Para calcular as características mecânicas do compósito híbrido, foram confeccionados cinco laminados compósitos com diferentes proporções de peso de fibra/carga. Os resultados mostram que quando a proporção de peso da fibra madar aumentou, as propriedades mecânicas superiores foram observadas na amostra de laminado compósito (A), como resistência à tração (20,85 MPa), resistência à flexão (24,14 MPa), absorção de energia de impacto (23 J ) em comparação com um aumento na proporção em peso do nanocarga de farelo para este material compósito. Ao mesmo tempo, o aumento das nanocargas de farelo pode melhorar a estabilidade térmica até 445 °C de temperatura de degradação. Analisar a interação superficial entre as fibras madar, nanocargas de farelo e matriz epóxi, conduzindo a análise de microscópio eletrônico de varredura (MEV) antes de serem submetidos ao teste mecânico e também identificar o modo de falha conduzindo o teste SEM após os laminados serem quebrados durante os ensaios mecânicos do compósito híbrido.

Compósitos reforçados com fibras naturais estão sendo desenvolvidos para uso no estudo para substituir compósitos reforçados com fibras sintéticas. A matriz e as fibras foram substituídas por componentes ecologicamente corretos e biodegradáveis1. Edifícios, pontes e estruturas como cascos de barcos, painéis de piscinas, carrocerias de carros de corrida, chuveiros, banheiras, recipientes de armazenamento, imitações de granito e bacias e bancadas de mármore cultivado são normalmente construídos a partir de materiais compósitos, também cada vez mais usados ​​em aplicações automotivas em geral 2. Os enchimentos são normalmente compostos de vidro fino, quartzo ou sílica e são adicionados para melhorar o módulo elástico, a resistência à tração, a dureza e a resistência à abrasão da restauração e reduzir a contração de polimerização. Os componentes interiores, como painéis de portas, componentes do painel de instrumentos, compartimentos de encomendas, almofadas de assento, encostos, revestimentos de cabos, etc., normalmente apresentam materiais compósitos reforçados com fibras naturais3. Devido à alta demanda por resistência mecânica, as aplicações externas são limitadas. Os compósitos de fibras naturais são duráveis, baratos, leves, possuem alta resistência específica, não são abrasivos, possuem excelentes propriedades mecânicas, são ambientalmente benignos e biodegradáveis4. O cânhamo técnico, a juta e o linho são fibras naturais com excelentes propriedades de isolamento mecânico, acústico e térmico. O conteúdo e o comprimento da fibra são os fatores mais influentes nas propriedades mecânicas e físicas de um compósito reforçado com fibra natural. Nas tendências recentes, mais pesquisas estão sendo conduzidas sobre a caracterização das fibras naturais. As fibras de Calotropis gigantea podem ser utilizadas como reforço devido ao seu teor de celulose, índice de cristalinidade (56,08%), tamanho de cristalito (2,05 nm) e estabilidade térmica (> 220 °C), sendo esses valores comparáveis ​​aos de outras fibras naturais. atualmente utilizados como agentes de reforço em polímeros, como Cocos nucifera, Luffa cyclin-drive, Eucalyptus grandis, Pinus elliotti, Curaua, etc.5. Suas folhas verde-acinzentadas relativamente grandes têm 5–20 cm de comprimento e 4–10 cm de largura e são produzidas aos pares. As porções inferiores herbáceas são lenhosas, aéreas, eretas, ramificadas, cilíndricas e sólidas, enquanto as porções superiores são cobertas por filamentos lanosos, verdes claros e contêm látex6. Além de uma alta relação resistência-peso, o compósito polimérico reforçado com fibra Madar demonstra propriedades extraordinárias, como alta durabilidade, rigidez, propriedades de amortecimento, resistência à flexão e resistência à corrosão, abrasão, impacto e fogo7. Aumentos no teor de fibra aumentarão a propriedade de tração. Antes da quebra da matriz de polipropileno, utilizamos nesta investigação a composição da fibra da cana-de-açúcar. A fibra de cana-de-açúcar, quando comparada a outros compósitos de fibras, terá alta estabilidade térmica a 450°C8. A calorimetria diferencial de varredura (DSC) é um tipo de calorimetria em que um aumento na temperatura percebida indica que a fibra atingiu o estado do sítio de nucleação. Como o polímero cristaliza, as propriedades mecânicas e de cristalinidade do material melhoram nos compósitos feitos a partir de fibras de cana-de-açúcar. A utilização de tais fios pode ser defendida para aplicações aeronáuticas e militares onde o gasto significativo dos filamentos não é de grande importância9. O reforço da fibra exposta pelo seu comprimento é muito mais proeminente do que as medidas da seção transversal. Ao mesmo tempo, a proporção entre o comprimento e a medição da seção transversal, conhecida como proporção angular, pode flutuar significativamente. Os plásticos reforçados com fibra (FRP) são efetivamente utilizados para diferentes utilizações da tecnologia atual da aviação devido às suas propriedades explícitas surpreendentes, por exemplo, alta qualidade explícita e solidez, baixo peso e a capacidade de desenvolvimento por orientação (particularmente persistente) fibras junto com a condução de carga10. A incorporação de fibras de linho, juta, cânhamo, rami e kenaf extraídas do caule da planta e das fibras foliares é desvinculada das folhas da planta11. Para incorporar as fibras de sisal, abacaxi e banana extraídas da camada externa da casca e da semente ou do produto orgânico da planta, os fios são separados da semente ou do produto natural12. Uma extrusão de controle atomizado a gás contendo 62% de berílio e 38% de Al foi usada para testar os materiais. As descobertas revelam que as propriedades mecânicas e térmicas dos compósitos híbridos, como resistência à fratura, fadiga, condutividade térmica e coeficiente de expansão térmica, melhoraram. Compósitos com 20% de fibra natural exibem um aumento de 33% na resistência à tração e um aumento de 75% no módulo de tração. Com base nessas descobertas, as fibras de coco com matriz confirmaram o papel da fibra de coco preservada e serviram como agente de reforço e não como enchimento13. O ajuste da superfície de PALF (fibra de folhas de abacaxi) e KF (fibra Kenaf) para a fabricação dos compósitos híbridos KF/PF oferece resistência interfacial superior, possibilitando a resistência mecânica dos materiais. As características mecânicas do compósito reforçado com fibra dependem de vários parâmetros, como qualidade da fibra, módulo, comprimento da fibra e orientação, independentemente da qualidade da ligação interfacial fibra-rede . A matriz polimérica reforçada com fibra torna-se uma consideração significativa em diversas aplicações como resultado das grandes propriedades e melhores pontos de interesse da fibra natural sobre as fibras sintéticas em termos de seu peso moderadamente baixo, menos danos aos dispositivos de manuseio, excelentes propriedades mecânicas relativas, para por exemplo, módulo de tração e módulo de flexão, melhor acabamento superficial de peças moldadas compostas, recursos sustentáveis, abundância, adaptabilidade durante a preparação, biodegradabilidade e perigos insignificantes para o bem-estar15. A ampla utilização de NFRPC (composto polimérico reforçado com fibra natural) está se desenvolvendo rapidamente em vários campos de design. Um aumento na fração de peso de fibra madar picada de 9% aumenta a capacidade de absorção de energia de impacto do compósito híbrido mais consideravelmente do que na fração de peso de fibra de banyan. O modo dominante foi descoberto através da análise morfológica da superfície do microscópio eletrônico de varredura. Existe o risco de fracasso. As propriedades mecânicas dos compósitos epóxi de fibra madar bidirecionais preparados pela técnica hand lay-up, como dureza, resistência à tração e resistência ao impacto, aumentaram com o peso do Madar16. As resistências flexural e interlaminar inicialmente diminuíram até 12% em peso de carga de fibra madar e depois aumentaram para 48% em peso de carga de fibra madar. A diminuição das cavidades causada pelo aumento da entrada de fibra madar nos compósitos é uma das razões pelas quais as propriedades mecânicas dos compósitos bidirecionais Madar/epóxi aumentam . A resistência à tração e o módulo de elasticidade do kenaf misturado com poliéster foram 381–712 MPa e 27 GPa, respectivamente . Em outro estudo, foram investigadas as propriedades mecânicas de compósitos híbridos epóxi reforçados com fibra de madar e fibra de banana. O estudo descobriu que a adição de banana aos compósitos madar/epóxi aumentou as propriedades mecânicas, como resistência à tração, flexão e impacto em 16%, 3,9% e 31,4%, respectivamente19. Os vários tipos de compósitos poliméricos reforçados com fibra natural adquiriram um significado estranho em várias aplicações automotivas por inúmeras organizações automotivas, como organizações automotivas alemãs, como Audi Group, Ford, Volkswagen, Mercedes, etc. usos de fibra sintética no compósito. Além disso, a degradação térmica do compósito precisa identificar a eficiência do compósito de fibra natural20.