Sürtünme uygulamaları için sürdürülebilir MCC takviyeli kenevir‑bambu epoksi kompozitlerinde aşındırıcı aşınmanın optimize edilmesi

Daha çevreci ve daha dayanıklı malzemeler neden önemli

Araba parçalarından rüzgar türbini kanatlarına dek, dünyamızda hareket eden birçok yüzey birbirine sürtünerek yavaşça aşınır. Naylon ya da karbon gibi sentetik liflerle takviye edilmiş geleneksel plastikler bu aşınmaya dayanabilir, ancak yüksek enerji tüketimi ve kalıcı atıklar gibi çevresel maliyetleri vardır. Bu çalışma daha sürdürülebilir bir alternatifi inceliyor: epoksi içinde kenevir ve bambu liflerinden yapılan kompozitler ve bitki kökenli bir dolgu maddesi olan mikrokristalin selüloz (MCC) ile güçlendirilmiş yapılar. Amaç, sert sürtünme ve çizilmeye karşı çabuk eskimeyen, daha çevreci malzemeler geliştirmek.

Bitkiler ve tozla bir malzeme inşa etmek

Araştırmacılar, epoksi reçne ile daha iyi bağlanmalarını sağlamak için hafif bir alkali muameleyle temizlenmiş kenevir ve bambu liflerinden dokunmuş kumaşlarla başladılar. Bu kumaşlar üst üste kondu ve farklı miktarlarda MCC tozu içeren epoksi ile doyuruldu. Toplam lif içeriğini sabit tutup yalnızca MCC miktarını değiştirerek, bu biyo‑temelli dolgunun etkisini izole edebildiler. Karışım plaka halinde preslenip kürlendi ve otomotiv, havacılık ve inşaat gibi alanlarda yapısal parçalara benzetilecek hibrit paneller üretildi.

Gerçek dünyadaki aşınmayı taklit eden sürtünme testleri

Bu panellerin aşınma dayanımını görmek için ekip pin‑on‑disk (iğne‑disk) makinesi kullandı: kompozitten küçük bloklar, zımparayla kaplı dönen bir diske bastırıldı. Dört ana faktör değiştirildi—MCC içeriği, aşındırıcı kağıdın iri‑ince derecesi, bloğu diske bastıran yük ve kayma mesafesi. Her testte örneğin ne kadar ağırlık kaybettiği, ne kadar sürtünme oluştuğu ve aşınmış yüzeyin ne kadar pürüzlü olduğu ölçüldü. Bir faktörü tek başına değiştirmek yerine, deney sayısını en aza indirirken dört faktörün ve etkileşimlerinin performansı nasıl ortak etkilediğini haritalamaya izin veren Box–Behnken yanıt yüzeyi metodolojisi kullanıldı.

Aşınmayı, sürtünmeyi ve düzgünlüğü gerçekten ne kontrol ediyor

Analiz, tüm parametrelerin eşit derecede önemli olmadığını ortaya koydu. Aşındırıcı kağıdın keskinliği ve toplam sürtünme mesafesi, ne kadar malzeme kaybı olacağını belirleyen başlıca etkenlerdi: daha kaba kağıtlar ve daha uzun mesafeler çok daha fazla kesme ve çizilme yaptı. Buna karşılık, MCC dolgu sürtünme ve yüzeyin son düzgünlüğünü güçlü şekilde kontrol ediyordu. Doğru dozajda MCC yüzeyi sertleştirip kompozit ile aşındırıcı arasında sıkışmış, koruyucu bir film—tribo‑tabaka—oluşumunu destekledi. Bu tabaka mikro‑kesilmeleri azalttı ve sürtünmeyi stabilize etti. Ancak çok fazla MCC, parçacıkların kümeleşmesine yol açtı; bu kümeler kopup ekstra kum taneleri gibi davranarak, yüzey görece daha düzgün görünse bile aşınmayı artırabiliyordu.

Mikroskop altında aşınmayı görmek

Aşınmış yüzeylerin mikroskop görüntüleri bu eğilimleri doğruladı. MCC içermeyen kompozitler derin oluklar, yırtılmış reçine ve yüzeyden çekilmiş lifler gösteriyordu—şiddetli sürme ve lif‑matris bağının kararsız olduğuna işaret eden belirtiler. Ağırlıkça yaklaşık %3 MCC ile oluklar daha sığ, artıklar daha sıkışık ve yüzeyi örten daha sürekli bir film oluşmuştu; bu da ölçülen aşınma ve sürtünme düşüşüyle uyumluydu. %6 MCC’de yüzey daha da düzgün ve sürtünme daha düşük olmasına karşın, aglomerleşmiş parçacıkların çevresinde çatlaklar ve kopmuş dolgu parçaları aşınmanın yeniden artmaya başladığını gösteriyordu. Bu görüntüler, istatistiksel modellerden elde edilen sayıları mikroskopik düzeydeki fiziksel hasar desenlerine bağlamaya yardımcı oldu.

Daha çevreci, daha uzun ömürlü parçalar için ideal ayarı bulmak

İstatistiksel modelleri aşınma ve sürtünme ölçümleriyle birleştirerek ekip; aşınma kaybı, sürtünme ve yüzey pürüzlülüğünü aynı anda düşük tutan bir ayar aradı. En iyi uzlaşma yaklaşık %3 MCC, nispeten ince aşındırıcı koşulları, orta düzeyde yük ve orta kayma mesafesi olarak bulundu. Bu koşullar altında malzeme çok az ağırlık kaybetti, ılımlı bir dirençle kaydı ve nispeten düzgün bir yüzeyi korudu. Uzman olmayanlar için ana mesaj, bitki kökenli liflerin ve dolguların dayanıklılık ve sürdürülebilirlik arasında çok hassas şekilde ayarlanabileceğidir. Dikkatli optimizasyonla, kenevir–bambu–MCC epoksi kompozitleri sürekli sürtünmeye maruz kalan bileşenlerde daha kirletici malzemelerin yerini alarak hem bakım maliyetlerini hem de çevresel etkiyi azaltabilir.

Atıf: Gowda, H.D.S., Hemaraju, Kumar, V.G.P. et al. Optimizing abrasive wear in sustainable MCC reinforced hemp bamboo epoxy composites for tribological applications. Sci Rep 16, 12990 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43505-9

Anahtar kelimeler: doğal lifli kompozitler, aşındırıcı aşınma, kenevir bambu epoksi, mikrokristalin selüloz, triboloji