Een luxe auto is niet echt een plek om naar iets als sisal te zoeken, hennep, of hout. Toch gebruiken autofabrikanten al tientallen jaren natuurlijke vezels. Sommige high-end sedans en coupés gebruiken deze in composietmaterialen voor binnendeurpanelen, voor motor, interieur en geluidsisolatie, en interne motorkappen, onder andere gebruik.

In tegenstelling tot staal of aluminium, natuurlijke vezelcomposieten roesten of corroderen niet. Ze kunnen ook duurzaam en gemakkelijk te vormen zijn. De grootste voordelen van vezelversterkte polymeercomposieten voor auto's zijn lichtgewicht, goede crasheigenschappen, en geluids- en trillingsreducerende eigenschappen. Maar het is een uitdaging om meer onderdelen van een voertuig uit hernieuwbare bronnen te maken. Polymeercomposieten van natuurlijke vezels kunnen barsten, breken en buigen. De redenen zijn onder meer lage treksterkte, buig- en slagvastheid in het composietmateriaal.

Onderzoekers van de Universiteit van Johannesburg hebben nu aangetoond dat weegbree, een zetmeelrijke banaan, is een veelbelovende bron voor een opkomend type composietmateriaal voor de auto-industrie. De natuurlijke weegbreevezels worden gecombineerd met koolstofnanobuisjes en epoxyhars om een ​​natuurlijk vezelversterkt polymeer hybride nanocomposietmateriaal te vormen. Weegbree is het hele jaar door een basisvoedselgewas in tropische gebieden van Afrika, Azië en Zuid-Amerika. Veel soorten weegbree worden gekookt gegeten.

De onderzoekers vormden een composietmateriaal van epoxyhars, behandelde weegbree vezels en koolstof nanobuisjes. De optimale hoeveelheid nanobuisjes was 1 gew.% van de gecombineerde weegbree-epoxyhars. Het resulterende weegbree-nanocomposiet was veel sterker en stijver dan epoxyhars op zich. De composiet had 31% meer treksterkte en 34% meer buigsterkte dan de epoxyhars alleen. Het nanocomposiet had ook een 52% hogere trekmodulus en een 29% hogere buigmodulus dan de epoxyhars alleen.

"De hybridisatie van weegbree met meerwandige koolstofnanobuisjes verhoogt de mechanische en thermische sterkte van het composiet. Deze toenames maken het hybride composiet een concurrerend en alternatief materiaal voor bepaalde auto-onderdelen, " zegt Prof Tien-Chien Jen, de hoofdonderzoeker in de studie en het hoofd van de afdeling Werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Johannesburg.

Natuurlijke vezels versus metalen

Het produceren van auto-onderdelen uit hernieuwbare bronnen heeft verschillende voordelen, zegt Dr. Patrick Ehi Imoisili, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Johannesburg. "Er is een trend om natuurlijke vezels in voertuigen te gebruiken. De reden is dat composieten van natuurlijke vezels hernieuwbaar zijn, lage kosten en lage dichtheid. Ze hebben een hoge specifieke sterkte en stijfheid. De fabricageprocessen zijn relatief veilig, ", zegt Imoisili. "Met auto-onderdelen gemaakt van deze composieten, kan de massa van een voertuig verminderen. Dat kan resulteren in een betere brandstofefficiëntie en veiligheid. Deze componenten zullen niet roesten of corroderen zoals metalen. Ook, ze kunnen stijf zijn, duurzaam en gemakkelijk te vormen."

Echter, sommige natuurlijke vezelversterkte polymeercomposieten hebben momenteel nadelen zoals waterabsorptie, lage slagvastheid en lage hittebestendigheid, veroorzaakt effecten zoals kraken, buigen of kromtrekken van een auto-onderdeel, zegt Imoisili.

De onderzoekers onderwierpen het weegbree-nanocomposiet aan een reeks gestandaardiseerde industriële tests. Deze omvatten ASTM-testmethoden D638 en D790, impacttesten volgens de ASTM A-370-norm, en ASTM D-2240. Uit de tests bleek dat een composiet met 1% nanobuisjes de beste sterkte en stijfheid had in vergelijking met alleen epoxyhars. De weegbree-nanocomposiet vertoonde ook een duidelijke verbetering in microhardheid, slagvastheid en thermische geleidbaarheid in vergelijking met alleen epoxyhars.

Een nanocomposiet uit natuurlijke vezels gieten

De onderzoekers fabriceerden een door compressie gevormd stresstestobject. Ze gebruikten enerzijds oneetbare weegbree vezels, vier delen epoxyhars en meerwandige koolstofnanobuisjes. De epoxyhars en nanobuisjes kwamen van commerciële leveranciers. De epoxy leek op harsen die autofabrikanten in bepaalde auto-onderdelen gebruiken. De weegbreevezels kwamen van de "stammen" of pseudo-stengels, van weegbreeplanten in de zuidwestelijke regio van Nigeria. De pseudo-stengels bestaan ​​uit strak overlappende bladeren.

De onderzoekers behandelden de weegbreevezels met verschillende processen. Het eerste proces is een oude methode die waterrot wordt genoemd om plantenvezels van stengels te scheiden. In het tweede proces de vezels werden gedurende vier uur in een 3% natronloogoplossing geweekt. Na het drogen, de vezels werden gedurende twee minuten behandeld met hoogfrequente microgolfstraling van 2,45 GHz bij 550 W. De natronloog- en microgolfbehandelingen verbeterden de hechting tussen de weegbreevezels en de epoxyhars in het nanocomposiet.

Volgende, de onderzoekers verspreidden de nanobuisjes in ethanol om ophoping van de buisjes in het composiet te voorkomen. Daarna, de weegbree vezels, nanobuisjes en epoxyhars werden gecombineerd in een mal. De mal werd vervolgens 24 uur bij kamertemperatuur met een lading samengeperst.

Voedselgewas versus industriële grondstof

Weegbree wordt wereldwijd in tropische gebieden geteeld. Dit omvat Mexico, Florida en Texas in Noord-Amerika; Brazilië, Honduras, Guatemala in Zuid- en Midden-Amerika; Indië, China, en Zuidoost-Azië. In West- en Centraal-Afrika, boeren verbouwen weegbree in Kameroen, Ghana, Oeganda, Rwanda, Nigeria, Ivoorkust, en Benin.

Het gebruik van biomassa van belangrijke basisvoedselgewassen kan problemen opleveren in de voedselzekerheid voor mensen met een laag inkomen. In aanvulling, de auto-industrie zal toegang moeten hebben tot betrouwbare bronnen van natuurlijke vezels om het gebruik van natuurlijke vezelcomposieten te vergroten. In het geval van plantains, potentiële spanningen tussen voedselzekerheid en industrieel gebruik van composietmaterialen zijn laag. Dit komt omdat weegbreeboeren de pseudo-stengels na de oogst weggooien als agro-afval.