Influence of extraction methods on the mechanical properties, statistical homogeneity, and moisture regain of Hyphaene thebaica petiole fibers for composite reinforcement

في البحث عن مواد أكثر رفقاً بالكوكب، يتجه العلماء بشكل متزاكب بعيداً عن الألياف الاصطناعية المصنوعة من الوقود الأحفوري، ويلتفتون بدلاً من ذلك إلى العالم الطبيعي. لطالما قدمت النباتات بديلاً متجدداً، لكن استخدامها في منتجات قوية ومتينة مثل أجزاء السيارات أو ألواح البناء ليس بالأمر البسيط كحصاد ساق ونسجها. فالألياف الطبيعية معقدة؛ فهي تتكون من جدران خلايا نباتية تعشق امتصاص الماء، مما قد يضعفها ويسبب انتفاخها أو انكماشها. علاوة على ذلك، ولأنها تنمو في الطبيعة، فلا يوجد ليفان متطابقان تماماً، مما يجعل من الصعب التنبؤ بكيفية صمود حزمة منها تحت الضغط. ولجعل هذه المواد مفيدة، يجب على الباحثين إيجاد أفضل طريقة لتنظيفها وتجهيزها، وهي عملية تعمل على تجريد الأجزاء الناعمة غير الليفية من النبات للكشف عن الخيوط القوية والقدرة على تحمل الأحمال بداخلها. ويمكن للطريقة المستخدمة في هذا التنظيف أن تغير بشكل جذري مدى قوة الليف، وكمية الماء التي يمتصها، ومدى اتساق أدائه من قطعة إلى أخرى.

في دراسة حديثة، بحث باحثون في الكاميرون في نوع معين من أشجار النخيل، وهو نخيل "دوم"، الذي ينمو بوفرة في المناطق الجافة والرملية في منطقة الساحل. وبينما تشتهر هذه الشجرة بثمارها وأوراقها، فإن سيقان أوراقها الصلبة، أو ما يعرف بالـ "بتيول"، غالباً ما تُترك كنفايات. أراد الفريق معرفة ما إذا كان يمكن تحويل هذه السيقان إلى تعزيز مفيد للمركبات القائمة على البلاستيك، ولكن قبل ذلك، كان عليهم تحديد أفضل طريقة لاستخراج الألياف. لقد اختبروا ثلاث طرق مختلفة للتنظيف: عملية بيولوجية تقليدية حيث تُنقع السيقان في الماء، وطريقة بيولوجية ثانية حيث تُدفن في التربة، وطريقة كيميائية باستخدام محلول قلوي قوي. ومن خلال مقارنة نتائج هذه المنهجيات الثلاث، هدف الباحثون إلى إيجاد توازن بين القوة الخام، ومقاومة الرطوبة، وموثوقية المادة.

بدأ الفريق بتجهيز الألياف باستخدام كل تقنية من التقنيات الثلاث. بالنسبة لطريقة الماء، قاموا بغمر السيقان المنظفة في خزان من الماء المقطر لمدة ثلاثين يوماً، مما سمح للميكروبات الموجودة طبيعياً بتفكيك الأنسجة الناعمة التي تمسك الألياف ببعضها البعض. أما بالنسبة لطريقة التربة، فقد دفنوا السيقان في أرض رطبة لمدة خمسة وثلاثين يوماً، معتمدين على البكتيريا والفطريات التي تعيش في الأرض للقيام بمهمة مماثلة. وأخيراً، بالنسبة للطريقة الكيميائية، فقد عالجوا السيقان بمحلول ساخن من هيدروكسيد الصوديوم، وهو قلوي شائع، لمدة ساعة واحدة. هذا الحمام الكيميائي يجرد السيقان بقوة من المكونات غير الليفية، بما في ذلك الشموع وبعض السكريات النباتية، ليترك خلفه هيكل السليلوز النقي. وبعد استخراج الألياف، تم تجفيف كل دفعة واختبارها بعناية لقياس مقدار القوة التي يمكن أن تتحملها قبل الكسر، وكم مقدار تمددها، وكمية الماء التي تمتصها من الهواء.

كشفت النتائج أن المعالجة الكيميائية أنتجت أقوى الألياف. فقد استطاعت الألياف المعالجة بالقلوي تحمل أقصى إجهاد قدره 47 ميجاباسكال، وهو مقياس للقوة لكل مساحة، وهو أعلى بكثير من الطريقتين الأخريين. وتأتي هذه الزيادة في القوة من قيام الحمام الكيميائي بإزالة الأجزاء اللينة وغير المنتظمة من جدار الخلية النباتية، مما يترك وراءه هيكلاً أكثر تبلوراً وتراصاً. ومع ذلك، جاءت هذه القوة مع مقايضة: فقد كانت هذه الألياف أقل مرونة وانكسرت بشكل أكثر فجائية من غيرها. وفي المقابل، كانت الألياف المستخرجة عن طريق النقع في الماء هي الأكثر مرونة، حيث تمددت بنسبة 2.5 بالمائة تقريباً قبل أن تنقطع، لكنها كانت أيضاً الأضعف، حيث فشلت عند حوالي 36 ميجاباسكال. أما الألياف المدفونة في التربة فقد قدمت حلاً وسطاً، بقوة بلغت حوالي 43 ميجاباسكال ومرونة تقع بين المجموعتين الأخريين.

وبعيداً عن مدى قوة الألياف، نظر الباحثون أيضاً في مدى اتساق الخصائص عبر كامل عينة الاختبار. ففي الهندسة، لا تُقاس جودة المادة إلا بأضعف حلقاتها، لذا فإن معرفة مدى تباين القوة من ليف إلى آخر أمر بالغ الأهمية. استخدم الفريق نهجاً إحصائياً لقياس هذا الاتساق. ووجدوا أن الألياف المدفونة في التربة كانت الأكثر تجانساً. وسواء كان القياس للقوة أو للصلابة، أظهرت الألياف المستخرجة من التربة أقل قدر من التباين، مما يعني أنها كانت الأكثر قابلية للتنبؤ والموثوقية. أما الألياف المعالجة كيميائياً، رغم كونها الأقوى، فقد أظهرت تبايناً أكبر في قوتها وصلابتها، مما يشير إلى أن الهجوم الكيميائي لم يكن متساوياً تماماً على كل ليف. ووقعت الألياف المستخرجة بالماء في مكان ما بينهما من حيث الاتساق.

وقد ثبت أن مقاومة الرطوبة كانت عاملاً حاسماً آخر. ولأن الألياف الطبيعية مكونة من مواد نباتية، فهي تجذب الماء بشكل طبيعي، مما قد يؤدي إلى انتفاخها وإضعافها بمرور الوقت. وأظهرت الدراسة أن المعالجة الكيميائية كانت الأكثر فعالية في تقليل هذه المشكلة. فقد امتصت الألياف المعالجة بالقلوي أقل كمية من الماء، حيث لم تأخذ سوى حوالي 13.9 بالمائة من وزنها في الرطوبة. ويرجع ذلك إلى أن العملية الكيميائية أزالت العديد من المكونات النباتية الأكثر جذباً للماء. أما الألياف المستخرجة بالماء فقد امتصت الأكثر، بنسبة تقترب من 14.7 بالمائة، ويرجح أن عملية النقع اللطيفة تركت المزيد من تلك المكونات المحبة للماء سليمة. وأدت الألياف المستخرجة من التربة أداءً متوسطاً، حيث امتصت حوالي 14 بالمائة.

وعندما وزن الباحثون كل هذه العوامل معاً، ظهرت صورة واضحة لكيفية استخدام هذه الألياف. فإذا كان الهدف هو إنشاء مادة مركبة تحتاج إلى أقصى قدر من القوة ومقاومة الرطوبة، فإن المعالجة الكيميائية هي الخيار الأفضل، رغم عدم الاتساق الطفيف في خصائص الألياف. أما إذا كانت الأولوية للحصول على مادة تتصرف بشكل يمكن التنبؤ به وموثوق للغاية تحت الضغط، فإن طريقة الدفن في التربة توفر أفضل توازن بين القوة والانتظام. أما طريقة الماء، رغم إنتاجها لأكثر الألياف مرونة، فإنها تؤدي إلى مادة أضعف وأكثر عرضة لامتصاص الماء، مما يجعلها أقل ملاءمة للتطبيقات الهيكلية المتطلبة. وفي النهاية، تؤكد الدراسة أن نخيل "الدوم" مورد واعد للمواد المستدامة، لكن الطريق لاستخدامه يعتمد كلياً على الخصائص المحددة الأكثر أهمية للمنتج النهائي. إن اختيار كيفية تنظيف الليف ليس مجرد خطوة في العملية، بل هو العامل الحاسم في الأداء المستقبلي لليف.