Full factorial design analysis and optimisation of mechanical behaviour of jute -flax reinforced epoxy composite

في عالم علم المواد، سعى المهندسون طويلاً لإيجاد حل وسط بين قوة البلاستيك الاصطناعي والصداقة البيئية للطبيعة. لعقود من الزمن، كان الحل غالباً يكمن في خلط الألياف النباتية الطبيعية مع الراتنجات الكيميائية القوية لإنشاء مواد مركبة أخف وزناً وأكثر استدامة من المعادما التقليدية أو البلاستيك النقي. فكر في هذه المواد مثل الشطيرة: يعمل الراتنج الناعم واللزج كخبز، حيث يمسك كل شيء معاً، بينما تعمل الألياف النباتية الصلبة كحشوة، توفر القوة لمقاومة الكسر. ومع ذلك، فإن جعل "شطائر" الألياف الطبيعية هذه تعمل بشكل جيد ليس ببساطة رمي المكونات في وعاء. إذ يعتمد أداء المادة النهائية بشكل كبير على تفصيلين محددين: طول قطع الألياف النباتية وكمية الألياف المحشوة في الخليط. فإذا كانت الألياف قصيرة جداً، فستُسحب بسهولة؛ وإذا كانت طويلة جداً، فستتشابك وتخلق نقاط ضعف. إن إيجاد التوازن المثالي أمر ضروري لإنشاء مواد يمكن استخدامها في السيارات أو المباني أو المنتجات اليومية دون هدر الموارد.

قام فريق من الباحثين بمهمة لحل عملية التوازن هذه من خلال اختبار مزيج محدد من نباتين شائعين: الجوت والكتان. تم خلط هذه الألياف في راتنج الإيبوكسي، وهو نوع قوي من البناء البلاستيكي يُستخدم غالباً كمادة رابطة. أراد الفريق معرفة كيف سيغير تغيير طول الألياف وكمية الألياف في الخليط قدرة المادة على التمدد والانحناء وامتصاص الضربات المفاجئة. لم يعتمدوا على التخمين أو المحاكاة الحاسوبية وحدها، بل قاموا ببناء ثمانية عشر نسخة مختلفة من المادة في المختبر، مع التحكم بدقة في كل متغير. قاموا بقطع ألياف الجوت والكتان إلى ستة أطوال متميزة، تتراوح من قطع قصيرة جداً بطول 10 مليمترات وصولاً إلى 35 مليمتراً. ولكل طول من هذه الأطوال، صنعوا عينات بثلاث نسب مختلفة من الألياف حسب الوزن: 20 بالمائة، و30 بالمائة، و40 بالمائة. وقبل الخلط، عولجت الألياف بمحلول كيميائي خفيف لتنظيفها والمساعدة في التصاقها بشكل أفضل بالراتنج، ثم ضُغطت في قوالب لتشكيل كتل صلبة. وبمجرد تصلبها، اختُبرت هذه الكتل لمعرفة مقدار القوة التي يمكن أن تتحملها قبل الانكسار أو التصدع.

كشفت النتائج عن نمط واضح ومثير للدهشة. فبينما قد يفترض الكثيرون أن إضافة المزيد من الألياف ستجعل المادة أقوى دائماً، أظهرت الدراسة أن طول الألياف كان أكثر أهمية من إجمالي الكمية المستخدمة. في الواقع، كان طول الألياف هو العامل المهيمن، حيث كان مسؤولاً عن جميع التغييرات في الأداء تقريباً. فعندما قُطعت الألياف بطول 30 ملم، وصلت المادة إلى ذروة قوتها. عند هذا الطول المحدد، كانت الألياف طويلة بما يكفي لسد الفجوات بفعالية ونقل القوة عبر المادة، ولكن ليست طويلة لدرجة تجعلها تلتف أو تتشابك داخل الراتنج. وبمجرد أن تجاوزت الألياف طول 30 ملم، بدأ الأداء في الانخفاض فعلياً؛ إذ بدأت الألياف الأطول تلتف داخل الخليط، مما خلق جيوباً هوائية صغيرة ويمنع الراتنج من تغليفها بالتساوي، وهو ما أضعف المنتج النهائي.

لعبت كمية الألياف في الخليط دوراً أصغر بكتم. وجد الباحثون أن زيادة محتوى الألياف من 20 بالمائة إلى 40 بالمائة لم ترفع قوة المادة بشكل ملحوظ. وفي بعض الحالات، أدت إضافة الكثير من الألياف إلى جعل المادة أضعف قليلاً لأن الراتنج لم يستطع ترطيب الألياف بالكامل، مما ترك بقعاً جافة عملت كنقاط ضعف. وقد تبين أن المزيج الأكثر نجاحاً هو مزيج بنسبة 20 بالمائة من الألياف حسب الوزن وطول ليف قدره 30 ملم. أنتجت هذه الوصفة المحددة مادة يمكنها تحمل قوة شد تبلغ 86.1 ميجاباسكال، وقوة انحناء تبلغ 92 ميجاباسكال، وطاقة صدم تبلغ 87 كيلوجول لكل متر مربع. تمثل هذه الأرقام أعلى أداء تم تحقيقه في الدراسة، مما يثبت أن الدقة في قطع الألياف أكثر أهمة من مجرد حشو المزيد منها في القالب.

يسلط هذا العمل الضوء على أن تحسين المواد المركبة من الألياف الطبيعية يتعلق بإيجاد "النقطة المثالية" بدلاً من تعظيم الكمية. وتؤكد الدراسة أنه بالنسبة لهذا المزيج المحدد من الجوت والكتان والإيبوكسي، فإن طول الليف هو المفتاح لفتح آفاق القوة، بينما يكون للنسبة المئوية للوزن تأثير ضئيل. وأشار الباحثون إلى أن العمل المستقبلي يمكن أن يستكشف إضافة مواد أخرى إلى المزيج أو اختبار كيفية صمود هذه المواد المركبة بعد تعرضها للماء والتقادم. أما الآن، فإن النتائج تقدم دليلاً واضحاً للمهندسين: إذا كنت تريد مادة قوية ومستدامة مصنوعة من هذه النباتات، فركز جهودك على قطع الألياف بالطول الصحيح، بدلاً من مجرد إضافة المزيد منها.