التحقيق التجريبي وتحسين الأداء الميكانيكي والاحتكاكي لمركبات هجينة مستدامة من مصادر حيوية تحتوي على مملوءات نانو-SiO₂

لماذا المواد الأكثر خضرة مهمة

عادةً ما تُصنع السيارات والمباني والآلات من مركبات تعتمد على ألياف مشتقة من الوقود الأحفوري مثل الزجاج والكربون. هذه المواد قوية، لكنها مضرة بالبيئة. تبحث هذه الدراسة عن بديل أنظف: مركب جديد مصنوع من ليفين نباتيين، كوراوا وأريكا، مُلزَمَين بواسطة راتنج إيبوكسي ومقوَّين بجزيئات صغيرة من السيليكا (المكون الرئيسي للرمل). الهدف هو التحقق مما إذا كان مثل هذا المادة الحيوية قادرة على أن تكون متينة ومقاومة للتآكل بما يكفي لتحل محل المركبات التقليدية في أجزاء العالم الحقيقي.

الألياف النباتية ككتل بناء

كوراوا وأريكا ألياف طبيعية من نباتات استوائية. تُعرف ألياف كوراوا بقوتها وصلابتها العالية بفضل محتواها المرتفع من السليلوز، بينما ألياف أريكا أكثر صلابة وتمتص الطاقة بشكل أفضل. من خلال دمجهما، أنشأ الباحثون نسيجًا "هجينيًا" يهدف إلى مزج القوة والصلابة. رُصّت هذه الحصائر الليفية معًا ونُقعت في راتنج إيبوكسي يتصلب إلى بلاستيك صلب مكوّنًا صفائح رفيعة. ثم أضاف الفريق جزيئات بحجم النانو من ثاني أكسيد السيليكون (نانو-SiO₂) إلى الراتنج لتعمل كحجارة مجهرية تملأ الفراغات، وتُقوّي السطح، وتحسّن مقاومة الخدش والتآكل.

تنظيف الألياف وضبطها

قبل صنع الصفائح، خُضعت الألياف لغسل قلوي باستخدام هيدروكسيد الصوديوم (NaOH). تزيل هذه المعالجة الشمع الطبيعي والشوائب السطحية الأخرى، مما يجعل سطح الألياف أكثر خشونة ليلتصق بها الإيبوكسي بشكل أفضل. وسّع العلماء بعناية ثلاث عوامل رئيسية: مدة المعاملة، ونسبة كوراوا مقابل أريكا، وكمية نانو-SiO₂ المضافة. ثم اختبروا سلوك الصفائح عند الشد والانحناء والاصطدام والاحتكاك مع قرص معدني دوّار. ولتجنب التجارب الكثيرة غير الضرورية، استخدموا أداة إحصائية تسمى منهجية سطح الاستجابة للعثور على أفضل مجموعة إعدادات بعدد محدود من التجارب.

العثور على نقطة التعادل للقوة

اتضح أن الصفائح التي تحتوي على نسبة أعلى من ألياف كوراوا كانت أقوى عند الشد والانحناء، لأن كوراوا تتحمل الأحمال أفضل من أريكا. أما الصفائح ذات محتوى أريكا الأكبر فكانت أفضل قليلاً في امتصاص طاقة الصدمات، مما يعكس طبيعتها الأكثر مرونة. ساعد غسيل NaOH بوضوح: فقد ارتبطت الألياف المعالجة بالإيبوكسي بشكل أقوى، فبدلاً من الانسلاخ عند التحميل، كانت الألياف تميل إلى الانكسار، وهو دليل على نقل إجهاد أفضل. حسّن إضافة نانو-SiO₂ الأداء حتى حوالي 3–4 بالمئة بالوزن. عند هذه النسبة كانت الجسيمات موزعة بشكل جيد، تساعد على سد الشقوق الدقيقة وتقسيح السطح. أما عند زيادتها فكانت تتكتل مكوّنة نقاط ضعف تقلل القوة والمتانة.

سلوك المادة تحت الاحتكاك

عندما ضُغِطت دبابيس المركب وانزلقت مقابل قرص معدني، تآكلت الصفائح ذات المحتوى الأعلى من كوراوا والجسيمات النانوية الموزعة جيدًا بشكل أبطأ وانزلقت بشكل أنعم. أعطت أفضل مجموعة—67 بالمئة كوراوا في مزيج الألياف، ومعاملة NaOH لمدة 24 ساعة، وحوالي 3.75 بالمئة نانو-SiO₂، وحمل متواضع مقداره 10 نيوتن—معدل تآكل منخفض جدًا ومعامل احتكاك مخفَّض. أكدت الصور المجهرية ذلك: أظهرت الصفائح غير المحسنة فراغات بين الليف والراتنج، وألياف مُسحوبة للخارج، وأخاديد عميقة، بينما أظهرت الصفائح المحسنة ارتباطًا جيدًا، وعددًا أقل من الألياف المكسورة، ومسارات أكثر نعومة، وغشاءًا حماية رقيقًا تشكل أثناء الانزلاق.

ماذا يعني هذا للمنتجات اليومية

في أفضل الظروف، وصلت المركب الحيوي الجديد إلى قوٍى ومقاومة تآكل تجعله مرشحًا واقعيًا لأجزاء عملية، مثل ألواح داخلية خفيفة الوزن للسيارات، وبلاطات ومحامل مقاومة للتآكل، وأسطح فرامل أو قابض، وعناصر هيكلية في مبانٍ مستدامة. ببساطة، من خلال تنظيف الألياف النباتية بعناية، ومزج النسبة الصحيحة من كوراوا وأريكا، وإضافة كمية مناسبة من السيليكا النانوية، بنا الباحثون مادة أكثر خضرة قوية ومتينة وبطيئة التآكل. تُظهر هذه العمل مسارًا واعدًا نحو استبدال بعض المركبات التقليدية المعتمدة على الوقود الأحفوري ببدائل عالية الأداء مشتقة من النباتات.

الاستشهاد: Velmurugan, G., Chohan, J.S., Maranan, R. et al. Experimental investigation and optimization of mechanical and tribological performances of bio-based sustainable hybrid composites incorporating Nano-SiO₂ fillers. Sci Rep 16, 7288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38263-7

الكلمات المفتاحية: مركبات الألياف الطبيعية, مواد حيوية المنشأ, تقوية بنانو السيليكا, بوليمرات مقاومة للتآكل, الهندسة المستدامة