Hoe bakbananen en koolstofnanobuisjes auto’s kunnen verbeteren

Een luxe auto is niet echt een plek om naar iets als sisal, hennep of hout te zoeken. 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.

In tegenstelling tot staal of aluminium, roesten of corroderen natuurlijke vezelcomposieten niet. Ze kunnen ook duurzaam zijn en gemakkelijk worden gevormd. De grootste voordelen van vezelversterkte polymeercomposieten voor auto’s zijn een laag gewicht, goede crasheigenschappen en geluids- en trillingsreducerende eigenschappen. Maar meer onderdelen van een voertuig maken uit hernieuwbare bronnen is een uitdaging. Composieten van natuurlijke vezelpolymeren kunnen barsten, breken en buigen. De redenen zijn onder meer lage trek-, buig- en slagsterkte in het composietmateriaal.

Onderzoekers van de Universiteit van Johannesburg hebben dat nu gedaan aangetoond dat weegbree, een zetmeelachtig type banaan, is een veelbelovende bron voor een opkomend type composietmateriaal voor de auto-industrie. De natuurlijke weegbree vezels worden gecombineerd met koolstof nanobuisjes en epoxyhars om een ​​natuurlijk vezelversterkt polymeer hybride nanocomposiet materiaal te vormen. Weegbree is het hele jaar door een basisvoedselgewas in tropische regio’s 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 weegbree-epoxyhars gecombineerd. Het resulterende weegbree-nanocomposiet was veel sterker en stijver dan alleen epoxyhars. De composiet had 31% meer treksterkte en 34% meer buigsterkte dan alleen de epoxyhars. Het nanocomposiet had ook een 52% hogere trekmodulus en 29% hogere buigmodulus dan alleen de epoxyhars.

“De hybridisatie van weegbree met meerwandige koolstofnanobuisjes verhoogt de mechanische en thermische sterkte van het composiet. Deze vergrotingen maken het hybride composiet tot een competitief en alternatief materiaal voor bepaalde auto-onderdelen”, zegt Prof Tien-Chien Jen, de leidende onderzoeker 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, postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Werktuigbouwkunde van de Universiteit van Johannesburg. “Er is een trend om natuurlijke vezels in voertuigen te gebruiken. De reden is dat composieten van natuurlijke vezels hernieuwbaar, goedkoop en met een lage dichtheid zijn. Ze hebben een hoge specifieke sterkte en stijfheid. De productieprocessen zijn relatief veilig”, zegt Imoisili. “Het gebruik van auto-onderdelen gemaakt van deze composieten kan de massa van een voertuig verminderen. Dat kan leiden tot een lager brandstofverbruik en veiligheid. Deze componenten zullen niet roesten of corroderen zoals metalen. Ze kunnen ook stijf, duurzaam en gemakkelijk te vormen zijn. “

Sommige composieten van met natuurlijke vezels versterkte polymeren hebben momenteel echter nadelen zoals waterabsorptie, lage slagsterkte en lage hittebestendigheid, waardoor effecten zoals scheuren, buigen of kromtrekken van een auto-onderdeel worden veroorzaakt, zegt Imoisili.

De onderzoekers onderwierpen het weegbree-nanocomposiet aan een reeks gestandaardiseerde industriële tests. Deze omvatten ASTM-testmethoden D638 en D790, impacttests 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. Het weegbree-nanocomposiet vertoonde ook een duidelijke verbetering in microhardheid, slagsterkte en thermische geleidbaarheid vergeleken met alleen epoxyhars.

Uit natuurlijke vezels een nanocomposiet vormen

De onderzoekers maakten een door compressie gevormd stresstestobject. Ze gebruikten een deel oneetbare weegbree vezels, vier delen epoxyhars en meerwandige koolstof nanobuisjes. De epoxyhars en nanobuisjes waren afkomstig van commerciële leveranciers. De epoxy was vergelijkbaar met harsen die autofabrikanten in bepaalde auto-onderdelen gebruiken. De weegbree-vezels waren afkomstig van de “stammen” of pseudo-stengels van weegbree-planten in de zuidwestelijke regio van Nigeria. De pseudo-stelen bestaan ​​uit strak overlappende bladeren.

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

Vervolgens verspreidden de onderzoekers de nanobuizen in ethanol om opeenhoping van de buizen in de composiet te voorkomen. Daarna werden de weegbree vezels, nanobuisjes en epoxyhars gecombineerd in een mal. De mal werd vervolgens 24 uur bij kamertemperatuur met een lading gecomprimeerd.

Voedselgewas vs. 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; India, China en Zuidoost-Azië. In West- en Centraal-Afrika verbouwen boeren weegbree in Kameroen, Ghana, Oeganda, Rwanda, Nigeria, Ivoorkust en Benin.

Het gebruik van biomassa uit grote basisvoedselgewassen kan problemen met voedselzekerheid veroorzaken voor mensen met een laag inkomen. Daarnaast heeft de auto-industrie toegang nodig tot betrouwbare bronnen van natuurlijke vezels om het gebruik van natuurlijke vezelcomposieten te vergroten. In het geval van weegbree zijn de potentiële spanningen tussen voedselzekerheid en industrieel gebruik voor composietmaterialen laag. Dit komt omdat weegbree-boeren de pseudostengels na de oogst weggooien als agro-afval.