Экспериментальное исследование и оптимизация механических и трибологических характеристик биоосновных устойчивых гибридных композитов с заполнителями на основе нанодиоксида кремния

Почему важны более экологичные материалы

Автомобили, здания и машины обычно изготавливают из композитов, опирающихся на волокна, полученные из ископаемого сырья, такие как стекловолокно и углеродные волокна. Эти материалы прочны, но вредны для окружающей среды. В этом исследовании рассматривается более чистая альтернатива: новый композит из двух растительных волокон — курауа и ареки — скреплённых эпоксидной смолой и укреплённых частицами диоксида кремния наномасштаба (основной компонент песка). Цель — выяснить, может ли такой биоосновный материал быть достаточно прочным и износостойким, чтобы заменить традиционные композиты в реальных деталях.

Растительные волокна как строительные блоки

Курауа и арека — натуральные волокна из тропических растений. Курауа известна своей высокой прочностью и жёсткостью благодаря большому содержанию целлюлозы, тогда как волокна ареки более пластичны и лучше поглощают энергию. Комбинируя их, исследователи создали «гибридную» ткань, которая призвана сочетать прочность и вязкость. Эти волоконные маты укладывали слоями и пропитывали эпоксидной смолой, которая затвердевала в пластик, формируя тонкие панели. Команда также добавляла наноразмерные частицы двуокиси кремния (нано-SiO₂) в смолу — они действуют как микрокамни, заполняющие пустоты, упрочняющие поверхность и повышающие сопротивляемость царапинам и износу.

Очистка и настройка волокон

Перед изготовлением панелей волокна обрабатывали щелочным раствором гидроксида натрия (NaOH). Эта обработка удаляет природные воски и другие поверхностные примеси, шершавит поверхность волокон, чтобы эпоксидная смола лучше сцеплялась с ними. Учёные тщательно варьировали три ключевых параметра: продолжительность обработки волокон, соотношение курауа и ареки и количество добавленного нано-SiO₂. Затем они испытывали панели на растяжение, изгиб, удар и трение о вращающийся металлический диск. Чтобы избежать бесконечных проб и ошибок, использовали статистический метод — метод респонсивной поверхности — чтобы при ограниченном числе экспериментов найти оптимальную комбинацию параметров.

Поиск оптимума прочности

Панели с большим содержанием волокна курауа оказались прочнее на растяжение и изгиб, поскольку курауа лучше воспринимает нагрузку, чем арека. Панели с большим содержанием ареки, напротив, немного лучше поглощали ударную энергию, что отражает их более гибкую природу. Щелочная обработка NaOH явно помогла: обработанные волокна лучше сцеплялись с эпоксидной смолой, поэтому вместо выскальзывания при нагрузке они чаще ломались — признак лучшей передачи напряжений. Добавление нано-SiO₂ улучшало характеристики до примерно 3–4 процентного содержания по массе. При этом частицы равномерно распределялись, помогая «перекрывать» микротрещины и упрочнять поверхность. При большем содержании частицы образовывали агломераты — слабые участки, что фактически снижало прочность и вязкость.

Поведение материала при трении

Когда композитные образцы прижимали и сдвигали по металлическому диску, панели с большим содержанием курауа и хорошо распределённым нано-SiO₂ стирались медленнее и скользили более плавно. Лучшая комбинация — 67 процентов курауа в волокнистой смеси, 24 часа обработки NaOH, около 3,75 процента нано-SiO₂ и умеренная нагрузка 10 ньютонов — давала очень низкую скорость износа и пониженный коэффициент трения. Микроскопические изображения подтверждали эти результаты: плохо оптимизированные панели показывали зазоры между волокном и смолой, выдернутые волокна и глубокие борозды, тогда как оптимизированные панели демонстрировали плотное сцепление, меньше выломанных волокон, более гладкие следы и тонкую защитную плёнку, образующуюся в процессе скольжения.

Что это значит для повседневных изделий

При лучших условиях новый биоосновный композит достигал прочности и износостойкости, достаточных для практического применения, например, в лёгких внутренних панелях автомобилей, износостойких втулках, поверхностях тормозов или сцепления, а также в строительных элементах устойчивых зданий. Проще говоря, аккуратно очистив растительные волокна, подобрав правильное соотношение курауа и ареки и добавив оптимальное количество наноразмерного диоксида кремния, исследователи создали более экологичный материал, который прочен, вязок и медленно изнашивается. Эта работа указывает на перспективный путь замещения части традиционных композитов из ископаемого сырья высокоэффективными растительными альтернативами.

Цитирование: 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

Ключевые слова: композиты из натурального волокна, биоосновные материалы, наноусиление диоксидом кремния, износостойкие полимеры, устойчивое инженерное дело