Development and Characterization of Rice Husk Ash-Reinforced Epoxy Composites for Potential Automotive Bumper Fascia Applications

تحمل كل سيارة على الطريق عبئاً خفياً: وزن موادها الخاصة. لعقود من الزمن، سعى المهندسون لتخفيف وزن المركبات لتوفاً للوقود وتقليل الانبعاثات، وغالباً ما لجأوا إلى البلاستيك الذي يكون قوياً ولكنه ثقيل، أو المعزز بالألياف الزجاجية التي تكون صلبة ولكن يصعب إعادة تدويرها. ويقع المصد الأمامي، وهو مكون يجب أن يمتص صدمة الاصطدام مع مقاومة التآكل اليومي للحطام الناتج عن الطريق، في قلب هذا التحدي؛ إذ يحتاج لأن يكون قوياً بما يكفي لحماية السيارة، وخفيفاً بما يكفي لمساعدتها على الحركة بكفاءة، ومصنوعاً من مواد لا تترك بصمة ثقيلة على الكوكب. وبينما يتطلع بعض الباحثين إلى الألياف الاصطناعية عالية التقنية لإيجاد الإجابات، وجه فريق من العلماء في نيجيريا اهتمامهم إلى منتج ثانوي متواضع من المنتجات الزراعية: قشر الأرز المتبقي بعد طحن الأرز.

يستكشف هذا البحث مساراً مختلفاً، مساراً يحول النفايات الزراعية إلى مادة عالية الأداء دون الحاجة إلى مواد كيميائية قاسية أو حرارة شديدة. ركز العلماء على رماد قشر الأرز، وهو البقايا المتبقية بعد حرق القشر. في العديد من التطبيقات الصناعية، مثل صناعة الأسمنت، يتم معالجة هذا الرماد في درجات حرارة عالية جداً أو معالجته بأحماض قوية لاستخراج السيليكا النقية، وهي معدن صلب. ومع ذلك، اشتبه الباحثون في أنه بالنسبة لمصد السيارة، قد يكون هذا التنقية المفرطة غير ضرورية. واقترحوا أن الرماد، إذا عولج بلطف، يمكن أن يحتفظ ببنية طبيعية تجعله حشوة ممتازة لراتنج الإيبوكسي (epoxy)، وهو نوع من البلاستيك القوي والمتين المستخدم في العديد من التطبيقات الصناعية. ومن خلال إبقاء عملية المعالجة بسيطة، هدفوا إلى إنشاء مادة ليست فعالة فحسب، بل صديقة للبيئة أيضاً، محولين منتجاً من النفايات إلى مكون هندسي قيم.

بدأ الفريق بجمع قشور الأرز من مطحنة محلية في أبوجا وتنظيفها جيداً. وبدلاً من إخضاع القشور للحرارة الشديدة والحمامات الكيميائية الشائعة في الدراسات الأخرى، استخدموا عملية حرارية من خطوتين. أولاً، قاموا بتسخين القشور إلى درجة حرارة معتدلة في بيئة منخفضة الأكسجين لتحويلها إلى كربون. ثم قاموا بتسخينها مرة أخرى عند درجة حرارة أعلى قليلاً، ولكنها لا تزال أقل بكثير من النقطة التي تصبح عندها المادة متبلورة بالكامل أو تفقد تعقيدها الطبيعي. وكانت النتيجة مسحوقاً أسود باهتاً، متميزاً عن الرماد الأبيض النقي الذي يُرى عادة في المختبرات. وقد دل هذا اللون على أن المادة لا تزال تحتوي على كمية كبيرة من الكربون والمعادن الطبيعية الأخرى، بدلاً من تجريدها لتصبح سيليكا نقية.

وعندما فحص الباحثون هذا المسحوق تحت مجاهر قوية، وجدوا بنية ملائمة تماماً لغرضهم. لم تكن الجزيئات عبارة عن كرات ملساء، بل كانت قطعاً غير منتظمة ومسننة ذات شبكة تشبه قرص العسل من المسام الصغيرة التي تمر عبرها. هذا الملمس المسامي الخشن أمر بالغ الأهمية لأن هذا يسمح لراتنج الإيبوكسي السائل بالتسرب إلى الثقوب الصغيرة والتمكن من تثبيت الجزيئات في مكانها، مما يخلق رابطاً ميكانيكياً قوياً. وأكد التحليل الكيميائي أن المسحوق غني بالسيليكا، وهو نفس المعدن الصلب الموجود في الرمل والزجاج، ولكنه احتفظ أيضاً بعناصر طبيعية أخرى مثل البوتاسيوم والكالسيوم. وقد وُجد أن هذه العناصر الإضافية، التي غالباً ما تُزال في العمليات الأخرى، تساعد المادة على موازنة الصلابة مع القدرة على الانحناء قليلاً دون انكسار—وهي سمة حيوية للمصد الذي يجب أن يمتص طاقة الاصطدام.

ولاختبار ما إذا كانت هذه المادة يمكن أن تعمل حقاً في سيارة، قام الفريق بخلط رماد قشر الأرز في راتنج الإيبوكسي السائل بكميات متفاوتة، من رشة صغيرة إلى جزء كبير من الوزن الإجمالي. وصبوا هذه المخاليط في قوالب لإنشاء عينات اختبار وتركوها تتصلب في درجة حرارة الغرفة. وبمجرد أن أصبحت صلبة، أخضعوا العينات لسلسلة من الاختبارات الصارمة لمعرفة مدى صمودها تحت الضغط، والانحناء، والاصطدام المفاجئ. كانت النتائج مذهلة؛ فمع إضافة المزيد من رماد قشر الأرز، أصبحت المادة أقوى بشكل ملحوظ عند سحبها، وأفضل بكثير في امتصاص طاقة الصدمة المفاجئة. أظهرت العينة التي تحتوي على أعلى كمية من الرماد قوة شد بلغت 16.6 ميجاباسكال، وهو تحسن ملحوظ عن الإيبوكسي النقي، كما تضاعفت قدرتها على تحمل الصدمات تقريباً، حيث ارتفعت من 1.56 إلى 2.98 جول لكل سنتيمتر مربع.

كما أثبتت المادة مقاومة ملحوظة للتآكل. فعند فركها ضد سطح فولاذي صلب، فقدت العينات التي تحتوي على الرماد مادة أقل بكثير من الإيبوكسي العادي، بفضل جزيئات السيليكا الصلبة التي تعمل كدرع ضد الكشط. وهذا أمر مهم للغاية للمصد، الذي يواجه كشطاً مستمراً ومنخفض المستوى من حطام الطريق. ومع ذلك، لاحظ الباحثون وجود مقايضة؛ فبينما أصبحت المادة أكثر صلابة وقوة، انخفضت قدرتها على مقاومة الانحناء تحت الحمل الثقيل قليلاً عند أعلى مستويات محتوى الرماد. حدث هذا لأن الجزيئات الصغيرة بدأت في التكتل، مما خلق نقاط ضعف يمكن أن تبدأ منها الشقوق. ورغم ذلك، فإن الأداء العام يشير إلى أن المادة قد وجدت "نقطة مثالية"، وتحديداً عند تركيز رماد بنسبة 10 بالمئة، حيث قدمت أفضل مزيج من القوة، ومقاومة الصدمات، والمتانة.

تخلص الدراسة إلى أن طريقة معالجة رماد قشر الأرز منخفضة الحرارة والخالية من الكيماويات تخلق تعزيزاً قابلاً للتطبيق لأجزاء السيارات. المركب الناتج ليس مجرد إمكانية نظرية، بل هو مادة تم قياسها واختبارها لتلبية احتياجات هندسية محددة. فهو يوفر وسيلة لاستخدام كمية هائلة من النفايات الزراعية لإنشاء مكون أخف وزناً وأكثر استدامة من الخيارات التقليدية، دون التضحية بميزات السلامة المطلوبة لمصد السيارة. وبينما يشير الباحثون إلى أن هناك حاجة لمزيد من الاختبارات تحت الظروف القاسية والاصطدامات عالية السرعة قبل إمكانية استخدام هذه المادة في الإنتاج الضخم، فإن النتائج تظهر مساراً واضحاً للمضي قدماً. إنهم يظهرون أنه من خلال العمل مع البنية الطبيعية لمواد النفايات بدلاً من محاولة فرض شكل مختلف عليها، يمكن للمهندسين تطوير حلول فعالة للآلة ولطيفة على البيئة في آن واحد.