An Eco-Friendly Kenaf–Sisal Hybrid Fibre Reinforced Epoxy Composites as a choice of Conventional Fibre Board for High-Voltage Insulation Applications

تخيل أنك تحاول بناء درع لحماية قلب إلكتروني حساس من عاصفة رعدية. لعقود من الزمن، استخدم المهندسون "دروعاً" اصطناعية ثقيلة مصنوعة من البلاستيك والألياف المصنعة بشرياً للحفاظ على التيار الكهربائي عالي الجهد تحت السيطرة. هذه المواد قوية، لكنها أيضاً ثقيلة، ويصعب إعادة تدويرها، وغالباً ما تتطلب الكثير من الطاقة لإنتاجها. الآن، تخيل درعاً مختلفاً: واحداً منسوجاً من النباتات التي تنمو في حدائقنا وحقولنا. هذا هو عالم "المواد المركبة من الألياف الطبيعية"، حيث يمزج العلماء خيوط النباتات مع راتنجات لاصقة لإنشاء مواد قوية، خفيفة الوزن، وصديقة للكوكب. السؤال الكبير الذي يطرحه الباحثون هو: هل يمكن لدرع مصنوع من النباتات أن يصمد بالفعل أمام نفس الضغوط الكهربائية الهائلة التي تمارسها المواد الاصطناعية الثقيلة التي نستخدمها اليوم؟

يغوص هذا البحث في هذا السؤال تحديداً من خلال اختبار فريق فريد من نوعه من نباتين قويين: الكناف (Kenaf) والسيزال (Sisal). فكر في "الكناف" كعمود فقري صلب ومتصلب يوفر الهيكل، بينما يعمل "السيزال" كعضلة قوية ومرنة تمتص الصدمات. قام الباحثون بخلط ألياف هذين النباتين معاً مع غراء خاص يسمى راتنج الإيبوكسي لإنشاء نوع جديد من الألواح "الهجينة". أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكان هذا الفريق النباتي أن يتفوق على ألواح الألياف التقليدية المستخدمة حالياً في المعدات الكهربائية ذات الجهد العالي. ومن خلال معالجة الألياف النباتية بحمام كيميائي (مثل عملية تنظيف قوية لجعلها تلتصق بشكل أفضل) واختبارها تحت ظروف قاسية، يستكشف البحث ما إذا كانت مواد الطبيب نفسها يمكن أن تصبح الأبطال الجدد في العزل الكهربائي.

تعزيز قوة النبات: مزج الكناف والسيزال

بدأ الباحثون بفكرة بسيطة: لماذا لا نجمع بين أفضل سمات نباتين مختلفين؟ تُعرف ألياف الكناف بكونها خفيفة الوزن وصلبة، بينما يشتهر السيزال بقوته المذهلة وقدرته على التمدد دون انكسار. ومن خلال نسج هذه الألياف معاً في مادة واحدة مدعمة براتنج الإيبوكسي، أملوا في إنشاء "مادة خارقة" تكون أفضل مما يمكن لأي نبات منهما تقديمه بمفرده.

ومع ذلك، كانت هناك عقبة. فالألياف النباتية بطبيعتها زلقة قليلاً وتحب امتصاص الماء، مما يجعل من الصعب ربطها براتنج الإيبوكسي اللزج. ولحل هذه المشكلة، منح الفريق الألياف "تحولاً كيميائياً". فقد نقعوا خيوط الكناف والسيزال في محلول هيدروكسيد الصوديوم (نوع من السائل القلوي) لمدة 24 ساعة. يمكنك التفكير في هذا الأمر كأنه "يوم سبا للتنظيف العميق" للألياف؛ حيث أزال الطبقات الشمعية والملوثة الخارجية وجعل السطح خشناً وجاهزاً للإمساك بالإيبوكسي. كانت هذه المعالجة حاسمة لأنها ساعدت الألياف والراتنج على التلاحم بقوة، مما منع تسلل الماء وإضعاف الهيكل.

الاختبار الكبير: الإجهاد، الصدمة، والكهرباء

بمجرد إنشاء ألواح "النبات-الإيبوكسي"، وضع الفريق هذه الألواح في اختبار قاسٍ لمعرفة مدى صمودها. صنعوا عدة نسخ من المادة، مع تغيير كمية الألياف في الخليط؛ فبعضها احتوى على القليل من الألياف، والبعض الآخر احتوى على الكثير. كما أدرجوا "مجموعة ضابطة" من الإيبوكسي الصافي (الغراء فقط) ولوح ألياف تجاري قياسي لمعرفة كيف سيقارن خليط النبات الجديد بما يُستخدم حالياً في الواقع.

اختبار العضلات (القوة الميكانيكية)
أولاً، اختبروا مقدار القوة التي يمكن أن تتحملها المواد قبل الانكسار. قاموا بشدها (قوة الشد)، وثنيها (قوة الانثناء)، وضربها بتأرجح ثقيل (قوة الصدمة).
كانت النتائج مثيرة للاهتمام. فكلما أضافوا المزيد من الألياف إلى الخليط، أصبحت المادة أقوى وأكثر صلابة. وقد تم العثور على "النقطة المثالية" عند نسبة تحميل ألياف تبلغ 30% من الوزن (أي 30% ألياف و70% إيبوكسي). عند هذه النسبة، أظهر المركب الهجين أفضل أداء له:

• قوة الشد: 94.8 ميجا باسكال
• معامل يونج (الصلابة): 6.21 جيجا باسكال
• قوة الانثناء: 142.3 ميجا باسكال
• معامل الانثناء: 6.91 جيجا باسكال
• قوة الصدمة: 11.32 كيلو جول/متر مربع

كان هذا الخليط بنسبة 30% أقوى بكثير من الإيبوكسي الصافي ولوح الألياف التقليدي. ومع ذلك، عندما دفعوا محتوى الألياف إلى 40% من الوزن، انخفض الأداء في الواقع. لماذا؟ لأن كثرة الألياف تسببت في تكتل الخيوط مع بعضها مثل كرة من الخيوط المتشابكة، مما خلق نقاط ضعف وفقاعات هواء جعلت المادة أسهل في الكسر.

اختبار درع البرق (الخصائص العازلة)
بعد ذلك، اختبروا الجزء الأكثر أهمية: هل يمكن لهذا اللوح النباتي منع الكهرباء من التسرب؟ أخضعوا المواد لجهود عالية تتراوح من 33 كيلو فولت إلى 132 كيلو فولت واختبروها عبر نطاق واسع من الترددات من 10² إلى 10⁶ هرتز.

كان الهدف هو الحفاظ على استقرار "ثابت العزل" (مدى قدرة المادة على الاحتفاظ بالشحنة الكهربائية) وإبقاء "عامل التبدد" (مقدار الطاقة المفقودة كحرارة) منخفضاً قدر الإمكاني.

• الفائز: مرة أخرى، حصد المركب الهجين بنسبة 30% من الوزن اللقب. فقد أظهر أقل فقد للطاقة وأكثر الخصائص الكهربائية استقراراً.
• تأثير التردد: ومن المثير للاهتمام أنه مع زيادة تردد الكهرباء، قلّ فقد الطاقة في جميع المواد. وهذا أمر جيد، مما يعني أن المواد تتعامل مع الإشارات الكهربائية عالية السرعة بشكل جيد للغاية.
• المقارنة: كان الهجين النباتي الجديد أفضل بكثير في العزل من لوح الألياف التقليدي، الذي عانى من الرطوبة وفقد المزيد من الطاقة. لقد خلقت الأليات المعالجة في المركب الهجين سداً محكماً أبقى الكهرباء حيث يجب أن تكون.

تحدي الحرارة والماء
أخيراً، تحققوا من كيفية تعامل المواد مع الحرارة والماء.

• الحرارة: باستخدام تقنية تسمى التحليل الحراري الوزني (TGA)، قاموا بتسخين العينات حتى 700 درجة مئوية. أظهر المركب الهجين بنسبة 30% استقراراً محسناً مقارنة باللوح التقليدي، مع درجة حرارة بدء التحلل عند 338 درجة مئوية وبقايا بلغت 31.2%. ومع ذلك، تشير الدراسة إلى أنه بينما تعد هذه المركبات الهجينة قابلة للتطبيق للعزل الكهربائي، إلا أنها تمتلك درجة متوسطة من الاستقرار الحراري في ظل هذه الظروف، وليست مقاومة للحرارة بشكل استثنائي.
• الماء: عادة ما تكره الألياف الطبيعية الماء، لكن المعالجة الكيميائية ساعدت في ذلك. فقد امتص الهجين بنسبة 30% أقل كمية من الماء مقارنة بالعينات الأخرى وباللوح التقليدي. وحتى بعد نقعها وتعتيقها في ظروف رطبة، حافظ الهجين النباتي على قوته بشكل أفضل بكثير من ألواح الألياف القديمة التي تفككت بسرعة.

الحكم النهائي: بديل أخضر

تخلص الدراسة إلى أن هذا المركب الهجين من الكناف والسيزال، وتحديداً ذا نسبة تحميل الألياف البالغة 30% من الوزن، يعد منافساً قوياً لاستبدال ألواح الألياف التقليدية في تطبيقات الجهد العالي الكهربائية. لقد أثبت أنه أقوى، وأكثر صلابة، وأفضل في حجب الكهرباء من المواد التقليدية، كل ذلك بينما هو مصنوع من نباتات متجددة وصديقة للبيئة.

وجد الباحثون أن "السر" يكمكمن في الجمع بين نوعين مختلفين من الألياف التي تعمل معاً، والمعالجة الكيميائية التي جعلتها تلتصق بالإيبوكسي بشكل مثالي. وبينما لا تعتبر المادة مثالية (إذ تسبب كثرة الألياف التكتل) واستقرارها الحراري متوسط، فإن الخليط بنسبة 30% يقدم مساراً واعداً ومستداماً لصناعة الكهرباء. وهذا يشير إلى أنه قد نتمكن قرياً من بناء شبكات الطاقة والدروع الكهربائية باستخدام مواد تنمو في الأرض، بدلاً من الاعتماد فقط على البلاستيك الاصطناعي الثقيل.