Hvordan plantains og kulstof nanorør kan forbedre biler

En luksusbil er ikke rigtig et sted at lede efter noget som sisal, hamp, eller træ. Alligevel har bilproducenter brugt naturlige fibre i årtier. Nogle avancerede sedaner og coupéer bruger disse i kompositmaterialer til indvendige dørpaneler, til motor, indvendig og støjisolering, og indvendige motordæksler, blandt andre anvendelser.

I modsætning til stål eller aluminium, naturfiberkompositter ruster eller korroderer ikke. De kan også være holdbare og let støbe. De største fordele ved fiberforstærkede polymerkompositter til biler er lette vægt, gode crashegenskaber, og støj- og vibrationsreducerende egenskaber. Men at lave flere dele af et køretøj fra vedvarende kilder er en udfordring. Naturfiberpolymerkompositter kan revne, knække og bøje. Årsagerne omfatter lav trækstyrke, bøjnings- og slagstyrke i kompositmaterialet.

Forskere fra University of Johannesburg har nu påvist, at plantain, en stivelsesholdig type banan, er en lovende kilde til en ny type kompositmateriale til bilindustrien. De naturlige plantainfibre er kombineret med carbon nanorør og epoxyharpiks for at danne et naturligt fiberforstærket polymer hybrid nanokompositmateriale. Plantain er en basisfødevareafgrøde året rundt i tropiske områder i Afrika, Asien og Sydamerika. Mange typer plantain spises kogt.

Forskerne støbte et kompositmateriale af epoxyharpiks, behandlede plantainfibre og kulstofnanorør. Den optimale mængde af nanorør var 1 vægt% af den kombinerede plantain-epoxyharpiks. Den resulterende plantain nanokomposit var meget stærkere og stivere end epoxyharpiks alene. Kompositten havde 31 % mere trækstyrke og 34 % større bøjningsstyrke end epoxyharpiksen alene. Nanokompositten havde også 52 % højere trækmodul og 29 % højere bøjningsmodul end epoxyharpiksen alene.

"Hybridiseringen af ​​plantain med flervæggede carbon nanorør øger komposittens mekaniske og termiske styrke. Disse stigninger gør hybridkompositten til et konkurrencedygtigt og alternativt materiale til visse bildele, " siger prof Tien-Chien Jen, den ledende forsker i undersøgelsen og lederen af ​​Institut for Mekanisk Engineering Science ved University of Johannesburg.

Naturlige fibre vs metaller

At producere bildele fra vedvarende kilder har flere fordele, siger Dr. Patrick Ehi Imoisili, en postdoc-forsker ved Institut for Mekanisk Engineering Science ved University of Johannesburg. "Der er en tendens til at bruge naturfiber i køretøjer. Årsagen er, at naturfiberkompositter er vedvarende, lave omkostninger og lav tæthed. De har høj specifik styrke og stivhed. Fremstillingsprocesserne er relativt sikre, " siger Imoisili. "Ved at bruge bildele lavet af disse kompositter, kan reducere et køretøjs masse. Det kan resultere i bedre brændstofeffektivitet og sikkerhed. Disse komponenter vil ikke ruste eller korrodere som metaller. Også, de kan være stive, holdbar og let støbt."

Imidlertid, nogle naturfiberforstærkede polymerkompositter har i øjeblikket ulemper såsom vandabsorption, lav slagstyrke og lav varmebestandighed, forårsager virkninger såsom revner, bøjning eller vridning af en bildele, siger Imoisili.

Forskerne udsatte plantain nanokompositten for en række standardiserede industrielle tests. Disse omfattede ASTM testmetoder D638 og D790, slagtest i henhold til ASTM A-370 standarden, og ASTM D-2240. Testene viste, at en komposit med 1% nanorør havde den bedste styrke og stivhed sammenlignet med epoxyharpiks alene. Plantain nanokompositten viste også markant forbedring i mikrohårdhed, slagstyrke og termisk ledningsevne sammenlignet med epoxyharpiks alene.

Støbning af en nanokomposit af naturlige fibre

Forskerne fremstillede et kompressionsstøbt stresstestobjekt. De brugte en del uspiselige plantainfibre, fire dele epoxyharpiks og flervæggede carbon nanorør. Epoxyharpiksen og nanorørene kom fra kommercielle leverandører. Epoxyen lignede harpikser, som bilfabrikanter bruger i visse bildele. Plantainfibrene kom fra "stammerne" eller pseudo-stammerne, af plantainplanter i den sydvestlige region af Nigeria. Pseudo-stilkene består af tæt overlappende blade.

Forskerne behandlede plantainfibrene med flere processer. Den første proces er en gammel metode kaldet vandrødning til at adskille plantefibre fra stængler. I den anden proces, fibrene blev gennemblødt i en 3% kaustisk sodaopløsning i fire timer. Efter tørring, fibrene blev behandlet med højfrekvent mikrobølgestråling på 2,45GHz ved 550W i to minutter. Den kaustiske soda og mikrobølgebehandlingerne forbedrede bindingen mellem plantainfibrene og epoxyharpiksen i nanokompositten.

Næste, forskerne spredte nanorørene i ethanol for at forhindre, at rørene klumper sig i kompositten. Efter det, plantainfibrene, nanorør og epoxyharpiks blev kombineret i en form. Formen blev derefter komprimeret med en belastning i 24 timer ved stuetemperatur.

Fødevareafgrøde vs. industrielle råvarer

Plantain dyrkes i tropiske områder verden over. Dette inkluderer Mexico, Florida og Texas i Nordamerika; Brasilien, Honduras, Guatemala i Syd- og Mellemamerika; Indien, Kina, og Sydøstasien. I Vest- og Centralafrika, bønder dyrker plantain i Cameroun, Ghana, Uganda, Rwanda, Nigeria, Côte d'Ivoire, og Benin.

Brug af biomasse fra store basisfødevareafgrøder kan skabe problemer med fødevaresikkerheden for folk med lave indkomster. Ud over, bilindustrien har brug for adgang til pålidelige kilder til naturlige fibre for at øge brugen af ​​naturfiberkompositter. I tilfælde af pisang, potentielle spændinger mellem fødevaresikkerhed og industrielle anvendelser af kompositmaterialer er lave. Dette skyldes, at plantainbønder kasserer pseudo-stammerne som agroaffald efter høst.