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

तकनीकी सारांश: FDM-प्रिंटेड जूट/PLA बायोकंपोजिट का सतत निर्माण

समस्या विवरण
गैर-बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक कचरे के तेजी से बढ़ते संचय और पेट्रोलियम-आधारित कच्चे माल की कमी ने एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में टिकाऊ विकल्पों के विकास को आवश्यक बना दिया है। जबकि पॉली (लैक्टिक एसिड) (PLA) नवीकरणीय फीडस्टॉक से प्राप्त एक प्रमुख बायोडिग्रेडेबल थर्मोप्लास्टिक है, यह अपनी अंतर्निहित सीमाओं, जैसे कि उच्च भंगुरता, कम हीट डिफ्लेक्शन तापमान (55–60 °C), और 200 °C से ऊपर के प्रोसेसिंग तापमान पर थर्मल डिग्रेडेशन से ग्रस्त है। हालांकि PLA को जूट जैसे प्राकृतिक रेशों के साथ मिलाने से कठोरता, शक्ति और तापीय स्थिरता में सुधार का मार्ग प्रशस्त होता है, लेकिन FDM-प्रिंटेड जूट/PLA बायोकंपोजिट के थर्मो-मैकेनिकल प्रदर्शन पर फाइबर वॉल्यूम फ्रैक्शन ($V_f$) और पोस्ट-प्रोसेसिंग थर्मल क्यूरिंग के विशिष्ट प्रभावों को अभी भी अपर्याप्त रूप से समझा गया है। इसके अलावा, जूट रेशों की हाइड्रोफिलिक प्रकृति अक्सर हाइड्रोफोबिक PLA मैट्रिक्स के साथ खराब इंटरफेशियल आसंजन (interfacial adhesion) की ओर ले जाती है, जिसके परिणामस्वरूप वॉइड (void) का निर्माण और डिबॉन्डिंग होती है।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में FDM का उपयोग करके जूट/PLA बायोकंपोजिट के निर्माण और लक्षण वर्णन के लिए एक व्यवस्थित दृष्टिकोण अपनाया गया।

• सामग्री: कमर्शियल PLA (NatureWorks 3052D) का उपयोग मैट्रिक्स के रूप में किया गया, जबकि अनट्रीटेड शॉर्ट जूट फाइबर (4–6 मिमी लंबाई) का उपयोग सुदृढीकरण (reinforcement) के रूप में किया गया।
• निर्माण: लक्षित फाइबर वॉल्यूम फ्रैक्शन के 10, 20, और 30 vol.% (परिणामों में 50% तक का लक्षण वर्णन शामिल है) पर ट्विन-स्क्रू एक्सट्रूज़न के माध्यम से कंपोजिट फिलामेंट्स तैयार किए गए। नमूने एक FDM प्रिंटर का उपयोग करके प्रिंट किए गए थे जिसमें 0.40 मिमी नोजल, 100% इन्फिल, और ±45° रास्टर एंगल का उपयोग किया गया था।
• पोस्ट-प्रोसेसिंग: इंटरफेशियल अखंडता और क्रिस्टलिनिटी की जांच के लिए 160 °C से 180 °C की सीमा में हॉट-एयर ओवन में एक नियंत्रित थर्मल क्यूरिंग प्रक्रिया लागू की गई।
• लक्षण वर्णन (Characterization): अध्ययन ने विश्लेषणात्मक तकनीकों के एक व्यापक समूह का उपयोग किया:
  • मैकेनिकल: टेंसाइल, फ्लेक्सरल, और हार्डनेस टेस्टिंग (ASTM मानक)।
  • फिजिकल: डेंसिटी और वॉटर एब्जॉर्प्शन माप।
  • थर्मल: मेल्टिंग टेम्परेचर और क्रिस्टलिनिटी के लिए डिफरेंशियल स्कैनिंग कैलोरीमेट्री (DSC); थर्मल स्टेबिलिटी और रेजिडुअल चार (residual char) के लिए थर्मोग्रैविमेट्रिक एनालिसिस (TGA)।
  • माइक्रोस्ट्रक्चरल/मॉलिक्यूलर: स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM), ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM), एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी (AFM), फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (FTIR), और एक्स-रे विवर्तन (XRD)।
  • मॉडलिंग: प्रयोगात्मक डेटा को मान्य करने के लिए रूल ऑफ मिक्सचर्स और फाइनाइट एलीमेंट मॉडलिंग अवधारणाओं पर आधारित सैद्धांतिक गणनाओं का उपयोग किया गया।

प्रमुख योगदान
यह शोध FDM-प्रिंटed जूट/PLA बायोकंपोजिट के लिए एक मजबूत प्रोसेसिंग-स्ट्रक्चर-प्रॉपर्टी सहसंबंध स्थापित करता है। प्रमुख योगदान निम्नलिखित हैं:

1. फाइबर वॉल्यूम फ्रैक्शन का अनुकूलन: अध्ययन एक इष्टतम फाइबर लोडिंग रेंज (25–35 vol.%) की पहचान करता है जो एगोलोमरेशन (agglomeration) और पोरोसिटी जैसे दोषों को कम करते हुए मैकेनिकल प्रदर्शन को अधिकतम करता है।
2. थर्मल क्यूरिंग प्रभाव: यह प्रदर्शित करता है कि 160–165 °C पर पोस्ट-क्यूरिंग, उच्च क्यूरिंग तापमान (जो थर्मल रिलैक्सेशन को प्रेरित कर सकते हैं) की तुलना में इंटरफेशियल बॉन्डिंग, क्रिस्टलिनिटी और थर्मल स्टेबिलिटी को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।
3. मल्टीस्केल लक्षण वर्णन: यह पेपर आणविक अंतःक्रियाओं (सेलुलोज हाइड्रोक्सिल और PLA एस्टर समूहों के बीच हाइड्रोजन बॉन्डिंग) को मैक्रोस्कोपिक मैकेनिकल गुणों और सतह की आकृति विज्ञान (surface morphology) से जोड़ने वाले विस्तृत विश्लेषण प्रदान करता है।
4. मात्रात्मक मेट्रिक्स: यह कार्य टेंसाइल स्ट्रेंथ, फ्लेक्सरल मॉड्यूलस और क्रिस्टलिनिटी में सुधार को मात्रात्मक रूप से निर्धारित करता है, जो टिकाऊ संरचनात्मक घटकों के डिजाइन के लिए विशिष्ट डेटा बिंदु प्रदान करता है।

प्रमुख परिणाम

• मैकेनिकल प्रदर्शन: इष्टतम मैकेनिकल प्रदर्शन 160–165 °C पर क्यूरिंग के साथ 25–35 vol.% फाइबर सामग्री पर प्राप्त किया गया।
  • टेंसाइल स्ट्रेंथ: नीट PLA (63 MPa) की तुलना में लगभग 14% बढ़कर अधिकतम 72 MPa (30% $V_f$, 160 °C पर) हो गई।
  • फ्लेक्सरल स्ट्रेंथ: इसमें नाटकीय सुधार देखा गया, जो नीट PLA (100 MPa) से बढ़कर 35% $V_f$ और 160 °C पर 315 MPa तक पहुँच गया।
  • मॉड्यूलस: यंग्स मॉड्यूलस ~10% (3.85 GPa तक) बढ़ गया, और इष्टतम स्थितियों में फ्लेक्सरल मॉड्यूलस दोगुने से अधिक (4.0 GPa से 8.5 GPa) हो गया।
  • हार्डनेस: बारकोल हार्डनेस 160 °C पर 25–30% फाइबर सामग्री के लिए 38 के शिखर पर पहुँची।
• माइक्रोस्ट्रक्चरल अवलोकन:
  • डिस्पर्शन: SEM और TEM ने मध्यम लोडिंग पर समान फाइबर डिस्पर्शन और अच्छा मैट्रिक्स वेटिंग दिखाया। हालांकि, उच्च लोडिंग (≥45–50%) पर फाइबर एगोलोमरेशन, वॉइड्स और डिबॉन्डिंग देखे गए, जिससे प्रदर्शन में कमी आई।
  • सतह की खुरदरापन (Surface Roughness): AFM विश्लेषण ने संकेत दिया कि फाइबर सामग्री बढ़ने के साथ सतह की खुरदरापन ($R_a$) 37.8 nm से घटकर 20.0 nm हो गई, जो बेहतर कंसोलिडेशन का सुझाव देती है।
  • इंटरफेस: TEM और FTIR ने हाइड्रोजन बॉन्डिंग के साथ एक विशिष्ट इंटरफेज़ क्षेत्र के गठन की पुष्टि की, जो प्रभावी स्ट्रेस ट्रांसफर की सुविधा प्रदान करता है।
• थर्मल गुण:
  • क्रिस्टलिनिटी: XRD और DSC परिणामों ने दिखाया कि उच्च फाइबर लोडिंग के साथ PLA क्रिस्टलिनिटी 22.3% से बढ़कर 27.5% हो गई, जिसका श्रेय जूट फाइबर के हेट्रोजेनियस न्यूक्लिएशन प्रभाव को दिया जाता है।
  • मेल्टिंग टेम्परेचर: फाइबर सामग्री बढ़ने के साथ कंपोजिट का मेल्टिंग टेम्परेचर 162.5 °C से बढ़कर 165.1 °C हो गया।
  • थर्मल स्टेबिलिटी: TGA ने दिखाया कि फाइबर सामग्री बढ़ने के साथ रेजिडुअल चार 8.2% से बढ़कर 15.1% हो गया, जो बेहतर थर्मल स्टेबिलिटी को दर्शाता है, हालांकि डिग्रेडेशन का प्रारंभ (onset) नेचुरल फाइबर की कम थर्मल स्टेबिलिटी द्वारा प्रभावित होता है।
• वॉटर एब्जॉर्प्शन: जूट की हाइड्रोफिलिक प्रकृति के कारण फाइबर सामग्री के साथ वॉटर एब्जॉर्प्शन निरंतर बढ़ा, जो 0.5% (नीट PLA) से बढ़कर 50% $V_f$ पर 22% हो गया। उच्च क्यूरिंग तापमान ने वॉइड कंटेंट को कम करके इसे आंशिक रूप से कम करने में मदद की।

महत्व
पेपर निष्कर्ष निकालता है कि FDM के माध्यम से निर्मित जूट/PLA बायोकंपोजिट संरचनात्मक इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए पारंपरिक सिंथेटिक फाइबर-प्रबलित पॉलिमर के एक व्यवहार्य, हल्के और पर्यावरण के अनुकूल विकल्प का प्रतिनिधित्व करते हैं। यह अध्ययन उच्च-प्रदर्शन वाले बायोकंपोजिट प्राप्त करने के लिए फाइबर वॉल्यूम फ्रैक्शन और थर्मल प्रोसेसिंग मापदंडों के बीच आवश्यक संतुलन को स्पष्ट करता है। यह पुष्टि करते हुए कि मध्यम फाइबर लोडिंग (25–35%) और नियंत्रित क्यूरिंग (160–165 °C) मैकेनिकल स्ट्रेंथ, थर्मल स्टेबिलिटी और इंटरफेशियल इंटीग्रिटी को अनुकूलित करते हैं, यह कार्य अगली पीढ़ी के बायोडिग्रेडेबल सामग्रियों के डिजाइन के लिए आवश्यक मार्गदर्शन प्रदान करता है। ये निष्कर्ष सिंथेटिक सुदृढीकरण पर निर्भर किए बिना उच्च-प्रदर्शन, इको-फ्रेंडली घटकों के विकास का समर्थन करते हैं।