En lyxbil är inte riktigt en plats att leta efter något som sisal, hampa, eller trä. Ändå har biltillverkare använt naturliga fibrer i årtionden. Vissa avancerade sedaner och coupéer använder dessa i kompositmaterial för innerdörrpaneler, för motor, interiör och ljudisolering, och interna motorlock, bland annat användningsområde.

Till skillnad från stål eller aluminium, naturfiberkompositer rostar eller korroderar inte. De kan också vara hållbara och lätta att formas. De största fördelarna med fiberförstärkta polymerkompositer för bilar är låg vikt, bra kraschegenskaper, och buller- och vibrationsreducerande egenskaper. Men att göra fler delar av ett fordon från förnybara källor är en utmaning. Naturfiberpolymerkompositer kan spricka, bryta och böja. Orsakerna inkluderar låg draghållfasthet, böj- och slaghållfasthet i kompositmaterialet.

Forskare från University of Johannesburg har nu visat att plantain, en stärkelsehaltig typ av banan, är en lovande källa för en framväxande typ av kompositmaterial för fordonsindustrin. De naturliga grobladfibrerna kombineras med kolnanorör och epoxiharts för att bilda ett naturligt fiberförstärkt polymer-hybrid nanokompositmaterial. Groblad är en basföda året runt i tropiska regioner i Afrika, Asien och Sydamerika. Många typer av groblad äts kokta.

Forskarna formade ett kompositmaterial av epoxiharts, behandlade plantainfibrer och kolnanorör. Den optimala mängden nanorör var 1 viktprocent av den kombinerade groblad-epoxihartset. Den resulterande plantan -nanokompositen var mycket starkare och styvare än epoxiharts på egen hand. Kompositen hade 31 % högre draghållfasthet och 34 % mer böjhållfasthet än epoxihartset enbart. Nanokompositen hade också 52 % högre dragmodul och 29 % högre böjmodul än enbart epoxihartset.

"Hybridiseringen av groblad med flerväggiga kolnanorör ökar den mekaniska och termiska styrkan hos kompositen. Dessa ökningar gör hybridkompositen till ett konkurrenskraftigt och alternativt material för vissa bildelar, "säger prof Tien-Chien Jen, den ledande forskaren i studien och chefen för Institutionen för maskinteknik vid University of Johannesburg.

Naturliga fibrer vs metaller

Att tillverka bildelar från förnybara källor har flera fördelar, säger Dr Patrick Ehi Imoisili, en postdoktor vid institutionen för maskinteknik vid University of Johannesburg. "Det finns en trend att använda naturfiber i fordon. Anledningen är att naturfiberkompositer är förnybara, låg kostnad och låg densitet. De har hög specifik styrka och styvhet. Tillverkningsprocesserna är relativt säkra, " säger Imoisili. "Med bildelar gjorda av dessa kompositer, kan minska ett fordons massa. Det kan resultera i bättre bränsleeffektivitet och säkerhet. Dessa komponenter kommer inte att rosta eller korrodera som metaller. Också, de kan vara stela, hållbara och lättformade."

Dock, vissa naturfiberförstärkta polymerkompositer har för närvarande nackdelar som vattenabsorption, låg slaghållfasthet och låg värmebeständighet, orsakar effekter som sprickbildning, böjning eller skevhet av en bildel, säger Imoisili.

Forskarna utsatte groblad nanokompositen för en serie standardiserade industriella tester. Dessa inkluderade ASTM-testmetoderna D638 och D790, slagprovning enligt ASTM A-370-standarden, och ASTM D-2240. Testerna visade att en komposit med 1% nanorör hade den bästa styrkan och styvheten jämfört med enbart epoxiharts. Groblad nanokompositen visade också markant förbättring i mikrohårdhet, slaghållfasthet och värmeledningsförmåga jämfört med enbart epoxiharts.

Gjuter en nanokomposit av naturliga fibrer

Forskarna tillverkade ett kompressionsgjutet stresstestobjekt. De använde en del oätliga grobladfibrer, fyra delar epoxiharts och flerväggiga kolnanorör. Epoxihartset och nanorören kom från kommersiella leverantörer. Epoxin liknade hartser som biltillverkare använder i vissa bildelar. Grobladfibrerna kom från "stammarna" eller pseudostammarna, av plantanväxter i den sydvästra regionen i Nigeria. Pseudostammarna består av tätt överlappande blad.

Forskarna behandlade grobladfibrerna med flera processer. Den första processen är en uråldrig metod som kallas vattenretting för att separera växtfibrer från stjälkar. I den andra processen, fibrerna blötlades i en 3% kaustiksodalösning i fyra timmar. Efter torkning, fibrerna behandlades med högfrekvent mikrovågsstrålning på 2,45GHz vid 550W under två minuter. Kaustiksoda och mikrovågsbehandlingar förbättrade bindningen mellan plantainfibrerna och epoxihartset i nanokompositen.

Nästa, forskarna spred nanorören i etanol för att förhindra att rören klumpas ihop sig i kompositen. Efter det, plantainfibrerna, nanorör och epoxiharts kombinerades i en form. Formen komprimerades sedan med en belastning under 24 timmar vid rumstemperatur.

Livsmedelsgröda kontra industriell råvara

Groblad odlas i tropiska områden över hela världen. Detta inkluderar Mexiko, Florida och Texas i Nordamerika; Brasilien, Honduras, Guatemala i Syd- och Centralamerika; Indien, Kina, och Sydostasien. I Väst- och Centralafrika, bönder odlar groblad i Kamerun, Ghana, Uganda, Rwanda, Nigeria, Elfenbenskusten, och Benin.

Att använda biomassa från stora baslivsmedelsgrödor kan skapa problem med livsmedelssäkerhet för människor med låga inkomster. Dessutom, bilindustrin kommer att behöva tillgång till pålitliga källor av naturfibrer för att öka användningen av naturfiberkompositer. När det gäller plantaner, potentiella spänningar mellan livsmedelssäkerhet och industriell användning av kompositmaterial är låga. Detta beror på att grobladbönder kasserar pseudostammarna som jordbruksavfall efter skörd.