University of Portsmouth forskare och team från hela världen ligger i framkant av en strävan att utveckla grönare kompositmaterial från jordbruksavfall för att användas i bilindustrin, marin- och flygindustrin.
Ett team från universitetets tekniska högskola designar och utvecklar lättviktsmaterial från förnybara resurser inklusive biomassa från jordbruket – en process som kan ge betydande miljöfördelar inom transportsektorn.
Forskningsgruppen för avancerade material och tillverkning (AMM), Ingenjörshögskolan, arbetar med att utveckla lätta hållbara kompositer och ta itu med de viktigaste utmaningarna med att använda naturfiberförstärkta kompositer för strukturella och semi-strukturella applikationer.
Dr Hom Nath Dhakal, som leder forskargruppen, sa:"De hållbara kompositmaterialen är framställda av lin, hampa, jute och avfallsbiomassa dadelpalmfibrer för att utveckla delar som bilstötfångare och dörrfoder – främst för icke-strukturella komponenter. Teamet arbetar också för att göra dem lämpliga för strukturella och semi-strukturella applikationer genom att använda hybridtekniker."
Han tillade:"Att använda naturliga växtfibrer som dadelpalmbiomassa för komposittillverkning har potentialen att ge bönder i högvärdiga produkter extra inkomst och samtidigt minska C02-utsläppen från förbränning av avfall, ett exempel på valorisering av material.
"Dessa lätta alternativ kan hjälpa till att minska vikten på fordon, bidrar till mindre bränsleförbrukning och färre CO2-utsläpp. De hållbara materialen kan produceras med mindre energi än glas- och kolfiber, och är biologiskt nedbrytbara, därför lättare att återvinna."
Trots deras många attraktiva egenskaper som hög specifik styrka och styvhet, har en lägre produktionskostnad än syntetfibrer, minskat slitage på de maskiner som används för att bearbeta dessa fibrer och minskad oro för hälsa och säkerhet under bearbetning, naturliga fibrer har sina inneboende nackdelar. De är mindre kompatibla med polymermatriser, hydrofila till sin natur (absorberar fukt) och deras mekaniska egenskaper är ibland svåra att uppnå med hänsyn till kraven på strukturella egenskaper.
Dr. Dhakal och hans team har arbetat nära industrin för att ta itu med dessa problem och testa styrkan och livskraften hos delar tillverkade av hållbara material. Dessa testresultat jämförs med hybrider av naturmaterial med mer traditionella glas- och kolfibrer. AMM Research Group har arbetat i samarbete med forskare från olika institutioner från hela världen.
Dr. Dhakal sa:"Under de senaste 12 månaderna, AMM Research Group har varit involverad i denna pågående forskningssatsning och har publicerat många artiklar med hög effektfaktor i prestigefyllda tidskrifter inklusive Composites Science and Technology, Kompositer del A och kompositer del B."
En nyligen genomförd samarbetsstudie, publiceras i tidskriften Sammansatt del A:Tillämpad vetenskap och tillverkning undersökt potentialen hos dadelpalmfibrer av avfallsblad och resultaten av denna publikation kan vara fördelaktiga för kompositbaserade industrier.
Dadelpalm odlas flitigt i Nordafrika och Mellanöstern och det ackumulerade bioavfallet av växtfibrer är i storleksordningen miljoner ton per år. Även om det finns ett antal traditionella användningsområden för detta bioavfall (inklusive rep och korgar), en stor del av återstoden bränns eller deponeras.
Studien tittade på strukturen, fysiokemiska och mekaniska egenskaper hos dadelpalmfibrer för att bedöma om de hade potential som förstärkningar för kompositmaterial. Tydligen, de dadelpalmfiberförstärkta kompositerna är kostnadseffektiva och miljövänliga förstärkningar för hög energiabsorption och förbättrade akustikfunktioner. Denna undersökning gav strukturegendomsförhållanden. För att få optimala egenskaper från naturfiberkompositer, egenskaperna hos själva fibrerna är viktiga. Komponenter som dörrfoder, främre och bakre bilstötfångare och pakethyllor kan tillverkas med dessa förstärkningar.
Ett av problemen med material skapade av naturfibrer är den lägre hållfastheten jämfört med kol- och glasfiberkompositer, eftersom de är mottagliga för ökad fuktupptagning. En studie publicerad i Kompositer vetenskap och teknik (Almansour et al., 2018) testade effekten av vattenabsorption på de mekaniska egenskaperna hos lin- och basaltfiberhybridiserade kompositer och testade deras frakturseghetsbeteenden i lägen I och II.
Utveckla hållbara kompositmaterial med förbättrade egenskaper som klarar höga prestanda och lätta krav, samt att behöva klara av tuffa miljöförhållanden, är utmanande företag. Hybridisering av två eller flera fibrer (kombination av naturfibrer med glas, basalt och kolfibrer till exempel) är en teknik där fördelarna med varje förstärkningsmaterial kan kombineras för att uppnå kompositer som uppvisar både förbättrad mekanisk prestanda och miljöpåverkan, leder till hållbarhet.
Från AMM-gruppens studier, det har avslöjats att hög mekanisk styrka såväl som seghet uppnåddes genom att använda basaltfibrer hybridiserade med linfibrer. Dr. Dhakal sa:"Vägen framåt för naturfiberkompositer att användas i strukturella tillämpningar skulle vara en kombination av båda materialen (naturfibrer och syntetiska fibrer) med en hybridmetod. Att möta dessa utmaningar kräver ytterligare forskning och innovation mellan akademiska institutioner och industri."
