Sustainable Fabrication of FDM-Printed Jute/PLA Biocomposites: Effect of Fiber Volume Fraction on Mechanical and Thermal Performance

ملخص تقني: التصنيع المستدام للمركبات الحيوية من الجوت وPLA المطبوعة بتقنية FDM

بيان المشكلة
استلزم التراكم السريع للنفايات البلاستيكية غير القابلة للتحلل الحيوي واستنزاف المواد الخام القائمة على البترول تطوير بدائل مستدامة في التصنيع المضاف. وعلى الرغم من أن حمض البولي لاكتيك (PLA) يعد من البوليمرات الحرارية الرائدة القابلة للتحلل الحيوي والمشتقة من مواد متجددة، إلا أنه يعاني من قيود متأصلة، بما في ذلك الهشاشة العالية، وانخفاض درجة حرะ الانحراف الحراري (55-60 درجة مئوية)، والتحلل الحراري عند درجات حرارة المعالجة التي تتجا�وز 200 درجة مئوية. وبينما يوفر خلط PLA مع الألياف الطبيعية مثل الجوت مساراً لتحسين الصلابة والقوة والاستقرار الحراري، فإن التأثيرات المحددة لكسر الحجم الليفي ($V_f$) والمعالجة الحرارية اللاحقة على الأداء الميكانيكي الحراري لمركبات الجوت/PLA المطبوعة بتقنية النمذجة الرقمية للترسيب المنصهر (FDM) لا تزال غير مفهومة بشكل كافٍ. علاوة على ذلك، فإن الطبيعة المحبة للماء لألياف الجوت غالباً ما تؤدي إلى ضعف الالتصاق البيني مع مصفوفة PLA الكارهة للماء، مما يؤدي إلى تكون الفجوات والانفصال.

المنهجية
اعتمدت الدراسة نهجاً منهجياً لتصنيع وتوصيف مركبات الجوت/PLA باستخدام تقنية FDM.

• المواد: استُخدم PLA تجاري (NatureWorks 3052D) كمصفوفة، بينما استُخدمت ألياف الجوت القصيرة غير المعالجة (بطول 4-6 ملم) كتعزيز.
• التصنيع: تم إنتاج خيوط المركبات عبر البثق بالبرغي المزدوج عند كسور حجم ليفية مستهدفة بلغت 10، 20، و30% بالحجم (مع امتداد التوصيف إلى 50% في النتائج). طُبعت العينات باستخدام طابعة FDM بفتحة فوهة 0.40 ملم، وحشوة بنسبة 100%، وزاوية مسح ±45 درجة.
• المعالجة اللاحقة: طُبقت عملية معالجة حرارية محكومة في فرن هواء ساخن عند درجات حرارة تتراوح بين 160 إلى 180 درجة مئوية لاستقصاء السلامة البينية والتبلور.
• التوصيف: استخدمت الدراسة مجموعة شاملة من التقنيات التحليلية:
  • الميكانيكية: اختبارات الشد، والانثناء، والصلابة (معايير ASTM).
  • الفيزيائية: قياسات الكثافة وامتصاص الماء.
  • الحرارية: المسح المسعري التفاضلي (DSC) لدرجة حرارة الانصهار والتبلور؛ والتحليل الحراري الوزني (TGA) للاستقرار الحراري والمخلفات الكربونية.
  • البنيوية/الجزيئية: المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، ومجهر القوة الذرية (AFM)، وتحويل فوريه للأشعة تحت الحمراء (FTIR)، وحيود الأشعة السينية (XRD).
  • النمذجة: استُخدمت حسابات نظرية بناءً على قاعدة الخلط ومفاهيم نمذجة العناصر المحدودة للتحقق من صحة البيانات التجريبية.

المساهمات الرئيسية
يؤسس هذا البحث علاقة قوية بين المعالجة والبنية والخواص لمركبات الجوت/PLA المطبوعة بتقنية FDM. وتشمل المساهمات الرئيسية ما يلي:

1. تحسين كسر الحجم الليفي: تحدد الدراسة نطاق تحميل الألياف الأمثل (25-35 بالحجم) الذي يعظم الأداء الميكانيكي مع تقليل العيوب مثل التكتل والمسامية.
2. تأثيرات المعالجة الحرارية: تثبت الدراسة أن المعالجة اللاحقة عند 160-165 درجة مئوية تعزز بشكل كبير الترابط البيني، والتبلور، والاستقرار الحراري مقارنة بدرجات حرارة المعالجة الأعلى التي قد تسبب الاسترخاء الحراري.
3. التوصيف متعدد المقاييس: يقدم البحث تحليلاً مفصلاً يربط التفاعلات الجزيئية (الروابط الهيدروجينية بين مجموعات الهيدروكسيل في السليلوز ومجموعات الإستر في PLA) بالخواص الميكانيكية والجهد السطحي الكلي.
4. المقاييس الكمية: يحدد العمل التحسينات في قوة الشد، ومعامل الانثناء، والتبلور، ويقدم نقاط بيانات محددة لتصميم المكونات الهيكلية المستدامة.

النتائج الرئيسية

• الأداء الميكانيكي: تم تحقيق الأداء الميكانيكي الأمثل عند محتوى ليفي يتراوح بين 25-35% مع معالجة عند 160-165 درجة مئوية.
  • قوة الشد: زادت بنسبة 14% تقريباً لتصل إلى حد أقصى قدره 72 ميجا باسكال (عند 30% $V_f$ و160 درجة مئوية) مقارنة بـ 63 ميجا باسكال لـ PLA النقي.
  • قوة الانثناء: أظهرت تحسناً هائلاً، حيث ارتفعت من 100 ميجا باسكال (PLA النقي) إلى ذروة قدرها 315 ميجا باسكال عند 35% $V_f$ و160 درجة مئوية.
  • المعامل: زاد معامل يونغ بنسبة ~10% (إلى 3.85 جيجا باسكال)، وأكثر من ضعف معامل الانثناء (من 4.0 جيجا باسكال إلى 8.5 جيجا باسكال) عند الظروف المثلى.
  • الصلابة: بلغت صلابة باركول ذروتها عند 38 لمحتوى ليفي 25-30% عند 160 درجة مئوية.
• الملاحظات البنيوية الدقيقة:
  • التشتت: كشف كل من SEM وTEM عن تشتت ليفي منتظم وترطيب جيد للمصفوفة عند الأحمال المتوسطة. ومع ذلك، لوحظ تكتل الألياف، والفجوات، والانفصال عند الأحمال العالية (≥45-50%)، مما أدى إلى انخفاض الأداء.
  • الخشونة السطحية: أشار تحليل AFM إلى انخفاض في خشونة السطح ($R_a$) من 37.8 نانومتر إلى 20.0 نانومتر مع زيادة محتوى الألياف، مما يشير إلى تماسك أفضل.
  • الواجهة البينية: أكد TEM وFTIR تشكل منطقة بينية متميزة مع روابط هيدروجينية، مما يسهل انتقال الإجهاد الفعال.
• الخواص الحرارية:
  • التبلور: أظهرت نتائج XRD وDSC زيادة في تبلور PLA من 22.3% إلى 27.5% مع زيادة محتوى الألياف، وهو ما يُعزى إلى تأثير النواة غير المتجانسة لألياف الجوت.
  • درجة حرارة الانصهار: ارتفعت درجة حرارة انصهار المركب من 162.5 درجة مئوية إلى 165.1 درجة مئوية مع زيادة محتوى الألياف.
  • الاستقرار الحراري: أظهر TGA زيادة في المخلفات الكربونية من 8.2% إلى 15.1% مع ارتفاع محتوى الأليف، مما يشير إلى تحسن الاستقرار الحراري، رغم أن بداية التحلل تتأثر بالاستقرار الحراري المنخفض للألياف الطبيعية مقارنة بـ PLA.
• امتصاص الماء: زاد امتصاص الماء بشكل رتيب مع زيادة محتوى الألياف بسبب الطبيعة المحبة للماء للجوت، حيث ارتفع من 0.5% (PLA النقي) إلى 22% عند 50% $V_f$. وقد ساهمت درجات حرارة المعالجة الأعلى جزئياً في تخفيف ذلك من خلال تقليل محتوى الفجوات.

الأهمية
يخلص البحث إلى أن مركبات الجوت/PLA المصنعة عبر تقنية FDM تمثل بديلاً قابلاً للتطبيق، خفيف الوزن، ومستداماً بيئياً للبوليمرات التقلية المعززة بالألياف الاصطناعية للتطبيقات الهندسية الإنشائية. توضح الدراسة التوازن الحرج المطلوب بين كسر الحجم الليفي ومعايير المعالجة الحرارية لتحقيق مركبات حيوية عالية الأداء. ومن خلال التأكيد على أن أحمال الألياف المتوسطة (25-35%) والمعالجة المحكومة (160-165 درجة مئوية) تعظم القوة الميكانيكية، والاستقرار الحراري، والسلامة البينية، فإن هذا العمل يوفر إرشادات أساسية لتصميم المواد القابلة للتحلل الحيوي من الجيل التالي. وتدعم النتائج تطوير مكونات عالية الأداء وصديقة للبيئة دون الاعتماد على التعزيزات الاصطناعية.