Full factorial design analysis and optimisation of mechanical behaviour of jute -flax reinforced epoxy composite
यह अध्ययन जूट-फ्लैक्स प्रबलित एपॉक्सी कंपोजिट के यांत्रिक गुणों को अनुकूलित करने के लिए एक फुल फैक्टोरियल डिज़ाइन और एनोवा (ANOVA) का उपयोग करता है, जो यह प्रकट करता है कि फाइबर की लंबाई तनन (tensile), फ्लेक्सरल (flexural) और इम्पैक्ट स्ट्रेंथ को प्रभावित करने वाला प्रमुख कारक है, जिसमें 30 मिमी फाइबर लंबाई और 20% भार अंश पर सर्वोत्तम समग्र प्रदर्शन प्राप्त किया गया है।
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सामग्री विज्ञान (materials science) की दुनिया में, इंजीनियर लंबे समय से सिंथेटिक प्लास्टिक की मजबूती और प्रकृति की पर्यावरण के अनुकूल प्रकृति के बीच एक मध्य मार्ग की तलाश कर रहे हैं। दशकों तक, इसका उत्तर अक्सर प्राकृतिक पौधों के रेशों को मजबूत रासायनिक रेजिन के साथ मिलाने में रहा ताकि ऐसे कंपोजिट बनाए जा सकें जो पारंपरिक धातुओं या शुद्ध प्लास्टिक की तुलना में हल्के और अधिक टिकाऊ हों। इन सामग्रियों को एक सैंडविच की तरह समझें: नरम, चिपचिपा रेजिन ब्रेड का काम करता है, जो सब कुछ एक साथ थामे रखता है, जबकि सख्त पौधे के रेशे फिलिंग (भरने वाली सामग्री) का काम करते हैं, जो टूटने से बचने के लिए मजबूती प्रदान करते हैं। हालाँकि, इन प्राकृतिक फाइबर सैंडविच को अच्छी तरह से काम करने के लिए बनाना केवल एक कटोरे में सामग्री डालने जितना सरल नहीं है। अंतिम सामग्री का प्रदर्शन इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करता है कि पौधों के रेशों को कितना लंबा काटा गया है और मिश्रण में उन्हें कितनी मात्रा में भरा गया है। यदि रेशे बहुत छोटे हैं, तो वे आसानी से बाहर निकल जाते हैं; यदि वे बहुत लंबे हैं, तो वे आपस में उलझ जाते हैं और कमजोर बिंदु बना देते हैं। कारों, इमारतों या रोजमर्रा के उत्पादों में उपयोग किए जाने वाले सामग्रियाँ बनाने के लिए एक आदर्श संतुलन बनाना आवश्यक है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने दो सामान्य पौधों के एक विशिष्ट संयोजन का परीक्षण करके इस संतुलन को हल करने का प्रयास किया: जूट और फ्लैक्स। इन रेशों को एपॉक्सी रेजिन (एक मजबूत प्रकार का प्लास्टिक जिसका उपयोग अक्सर एक बाइंडिंग एजेंट के रूप में किया जाता है) में मिलाया गया था। टीम यह जानना चाहती थी कि रेशों की लंबाई और मिश्रण में रेशों की मात्रा को बदलने से सामग्री की खिंचने, मुड़ने और अचानक लगने वाले झटकों को सहने की क्षमता कैसे बदलती है। उन्होंने केवल अनुमान या कंप्यूटर सिमुलेशन पर भरोसा नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने प्रयोगशाला में अठारह अलग-अलग संस्करण बनाए, जिसमें हर चर (variable) को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया गया। उन्होंने जूट और फ्लैक्स के रेशों को छह अलग-अलग लंबाई में काटा, जो 10 मिलीमीटर के बहुत छोटे टुकड़ों से लेकर 35 मिलीमीटर तक थे। प्रत्येक लंबाई के लिए, उन्होंने वजन के आधार पर तीन अलग-अलग रेशों की मात्रा वाले नमूने बनाए: 20 प्रतिशत, 30 प्रतिशत और 40 प्रतिशत। मिश्रण करने से पहले, रेशों को एक हल्के रासायनिक घोल से उपचारित किया गया ताकि उन्हें साफ किया जा सके और उन्हें रेजिन से बेहतर तरीके से चिपकने में मदद मिल सके, फिर उन्हें ठोस ब्लॉक बनाने के लिए सांचों में दबाया गया। सूखने के बाद, इन ब्लॉकों का परीक्षण किया गया कि वे टूटने या दरार पड़ने से पहले कितना बल सहन कर सकते हैं।
परिणामों ने एक स्पष्ट और आश्चर्यजनक पैटर्न का खुलासा किया। जबकि कई लोग यह मान सकते हैं कि अधिक फाइबर जोड़ने से सामग्री हमेशा मजबूत हो जाएगी, अध्ययन ने दिखाया कि रेशों की लंबाई कुल उपयोग की गई मात्रा की तुलना में कहीं अधिक महत्वपूर्ण थी। वास्तव में, रेशों की लंबाई प्रमुख कारक थी, जो प्रदर्शन में होने वाले लगभग सभी परिवर्तनों के लिए जिम्मेदार थी। जब रेशों को 30 मिलीमीटर तक काटा गया, तो सामग्री अपनी चरम शक्ति पर पहुँच गई। इस विशिष्ट लंबाई पर, रेशे अंतराल को प्रभावी ढंग से भरने और सामग्री के माध्यम से बल को स्थानांतरित करने के लिए पर्याप्त लंबे थे, लेकिन इतने लंबे भी नहीं थे कि वे रेजिन के भीतर मुड़ने या उलझने लगें। एक बार जब रेशों की लंबाई 30 मिलीमीटर से अधिक हो गई, तो प्रदर्शन वास्तव में गिरने लगा। लंबे रेशे मिश्रण के भीतर मुड़ने लगे, जिससे हवा के छोटे पॉकेट बन गए और रेजिन उन्हें समान रूप से कवर नहीं कर पाया, जिससे अंतिम उत्पाद कमजोर हो गया।
मिश्रण में रेशों की मात्रा ने बहुत छोटी भूमिका निभाई। शोधकर्ताओं ने पाया कि रेशों की मात्रा को 20 प्रतिशत से बढ़ाकर 40 प्रतिशत करने से मजबूती में कोई महत्वपूर्ण वृद्धि नहीं हुई। कुछ मामलों में, बहुत अधिक फाइबर जोड़ने से सामग्री थोड़ी कमजोर हो गई क्योंकि रेजिन रेशों को पूरी तरह से गीला नहीं कर सका, जिससे सूखे स्थान रह गए जो कमजोर बिंदुओं के रूप में कार्य करते थे। सबसे सफल संयोजन 20 प्रतिशत फाइबर वजन और 30 मिलीमीटर फाइबर लंबाई वाला मिश्रण निकला। इस विशिष्ट रेसिपी ने एक ऐसी सामग्री तैयार की जो 86.1 मेगापास्कल के खिंचाव बल, 92 मेगापास्कल के झुकने वाले बल और 87 किलोजूल प्रति वर्ग मीटर की प्रभाव ऊर्जा को सहन कर सकती थी। ये संख्याएँ अध्ययन में प्राप्त उच्चतम प्रदर्शन का प्रतिनिधित्व करती हैं, जो यह सिद्ध करती हैं कि रेशों को काटने में सटीकता, उन्हें सांचे में अधिक मात्रा में भरने की तुलना में अधिक महत्वपूर्ण है।
यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि प्राकृतिक फाइबर कंपोजिट को अनुकूलित करना मात्रा को अधिकतम करने के बजाय एक 'स्वीट स्पॉट' (सही संतुलन) खोजने के बारे में है। अध्ययन पुष्टि करता है कि जूट, फ्लैक्स और एपॉक्सी के इस विशिष्ट मिश्रण के लिए, रेशों की लंबाई मजबूती को अनलॉक करने की कुंजी है, जबकि वजन का प्रतिशत न्यूनतम प्रभाव डालता है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि भविष्य के कार्य में मिश्रण में अन्य सामग्रियां जोड़ना या यह देखना शामिल हो सकता है कि ये कंपोजिट पानी और उम्र बढ़ने के संपर्क में आने के बाद कैसे टिकते हैं। फिलहाल, निष्कर्ष इंजीनियरों के लिए एक स्पष्ट मार्गदर्शिका प्रदान करते हैं: यदि आप इन पौधों से बनी एक मजबूत, टिकाऊ सामग्री चाहते हैं, तो अपना प्रयास केवल उन्हें अधिक जोड़ने के बजाय रेशों को सही लंबाई में काटने पर केंद्रित करें।
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