TENSILE PROPERTIES OF THE COMPOSITE MATERIALS REINFORCED BY FIBRES OF FALSE BANANA ENSETE VENTRICOSUM FIBRES

ACTA  FACULTATIS  TECHNICAE ZVOLEN – SLOVAKIA

XX 2015

TAHOVÉ VLASTNOSTI KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ VYZTUŽENÝCH VLÁKNY Z ROSTLINY FALEŠNÉHO BANÁNOVNÍKU – ENSETE VENTRICOSUM TENSILE PROPERTIES OF THE COMPOSITE MATERIALS REINFORCED BY FIBRES OF FALSE BANANA – ENSETE VENTRICOSUM FIBRES Čestmír MIZERA1 – David HERÁK1 – Miroslav MÜLLER2 – Petr HRABĚ2 Česká zemědělská univerzita v Praze, Katedra mechaniky a strojnictví, Technická fakulta, Kamýcká 129, 165 21 Praha – Suchdol, Česká republika, [email protected] 2 Česká zemědělská univerzita v Praze, Katedra materiálu a strojírenské technologie, Technická fakulta, Kamýcká 129, 165 21 Praha – Suchdol, Česká republika, [email protected] 1

ABSTRACT: This study was focused on the analysis of the deformation characteristic of the poly�mer composite with continuous phase in the form of two-part epoxies and discontinuous phase (reinforcing particles) in the form of fibers of false banana (Enset ventricosum). The aim of the experiment was to determine the mechanical behavior of polymer composite reinforced by fibers of false banana under tensile loading and to determine the tensile strength. The fibers of Ense ventricosum, originally from Ethiopian region Hawasa, were used in this experiment. Fibres were prepared in sizes of lengths 10, 15, 30 mm and longfibres reinforcement with randomly fibres arrangement in matrix. The composite material was created with 2 wt.% of the filler. The tensile strength of the short-fibre composite material was decreased of 18.7 ± 2.8% by adding Enset fibres as the filler. The tensile strength of the long-fibre composite material was increased of 21.3 ± 3.1% . Key words: tensile strength, epoxy, reinforcing particles ABSTRAKT: Tato studie byla zaměřena na stanovení deformační charakteristiky polymerního kompozitního materiálu se spojitou fází ve formě dvousložkového epoxidu a nespojitou fází (zpevňující částice) ve formě vláken falešného banánovníku (Ensete ventricosum). Cílem tohoto experimentu bylo stanovení mechanického chování polymerního kompozitního materiálu vyztuženého vlákny z rostliny falešného banánovníku pod tahovým zatížením a stanovení pevnosti v tahu. Vlákna rostliny Ensete ventricosum byla původem z Etiopie z regionu Hawasa. Vlákna byla rozdělena v délkách 10, 15, 30 mm a dlouhovláknová výztuž s rovnoměrným rozdělením v matrici. Kompozitní materiál byl vyroben s 2 % hmotnostním obsahem vláken. Přidáním Ensete vláken došlo k poklesu tahového napětí u krátkovláknového kompozitního materiálu o 18,7 ± 2,8%. U dlouhovláknového kompozit� ního materiálu došlo ke zvýšení pevnosti v tahu o 21,3 ± 3,1%. Klíčová slova: pevnost v tahu, epoxid, zpevňující částice

ACTA FACULTATIS TECHNICAE, XX, 2015 (2): 109–115

109

ÚVOD V posledních desetiletích je patrný stále rostoucí zájem ve výzkumu nových materiálů, jejichž značná část je na bázi přírodních obnovitelných zdrojů, tak aby se zabránilo dalšímu tlaku na životní prostředí (Alves et al., 2010). Jeden ze způsobů využití přírodních materiálů je použití přírodních vláken jako výztuže v kompozitních materiálech. Přírodní vlákna mohou být vhodnou náhradou k syntetickým vláknům, protože jsou dostupná ve  vláknité formě při nízkých nákladech (Aseer et al., 2013). Přírodní vlákna dosahují vysoké měrné pevnosti při relativně malých hodnotách hustoty. Nahrazení syntetických vláken vlákny přírodními přináší celou řadu výhod především ve  vztahu k  životnímu prostředí. Kompozitní materiály vyztužené pomocí přírodních vláken jsou stále oblíbenějším konstrukčním materiálem. Například přírodní vlákna z kokosu, kenafu, sisálu a palmy olejné mají velmi dobré mechanické vlastnosti a proto se využívají v různých konstrukčních aplikacích (Sharifah & Martin, 2004, Mominul Haque et al, 2009, Hpsa et al, 2001, Harun et al, 2008, Lu, 2003). Vyznačují se však také určitými nedostatky, například poměrně nízkými hodnotami plasticity (Keller 2003). Tato vlastnost může být eliminována spojením přírodního vlákna s přírodním nebo syntetickým polymerem, čímž se získá lehký kompozitní materiál s požadovanými mechanickými vlastnostmi. Jednou z  vhodných rostlin pro produkci přírodních vláken je rostlina falešného banánovníku Ensete ventricosum. Jedná se o rostlinu rostoucí v Etiopii, která neposkytuje jedlé plody a není zařazena mezi běžně pěstované banánovníky rodu Musa (Tsehaye et al. 2006). Primární využití této rostliny je k produkci potravin pro obyvatele a krmení zvířat (Vincent et al. 2013; Herak et al. 2014). Přírodní vlákna z této rostliny se získávají ručním zpracováním pseudostemu a jsou využívána k produkci lan a košů (Diriba et al. 2013). Cílem teto studie je stanovit pevnost v tahu epoxidového kompozitního materiálu vyztuženého vlákny z rostliny falešného banánovníku Ensete ventricosum.

MATERIÁL A METODY Příprava zkušebních vzorků Zkušební vzorky kompozitního materiálu byly vyztuženy vlákny z rostliny falešného banánovníku Ensete ventricosum. Vlhkost vláken 9.4 ± 0.83 % (db) byla stanovena standartní metodou v  sušárně podle (ASAE S410.1 DEC97), (ASAE, 1998). Ke  stanovení vlhkosti byly náhodně vybrány vzorky o velikosti 100 g. Hmotnost jednotlivých vzorků byla stanovena pomocí elektronických vah (Kern 440–35, Kern & Sohn GmbH, Balingen, Germany). Hustota vláken 710 ± 45 kg m-3 byla stanovena gravimetrickou metodou (Blahovec 2008). Ke stanovení hustoty byly náhodně vybrány vzorky a zváženy pomocí elektronických vah (Kern 440–35, Kern & Sohn GmbH, Balingen, Germany). Jednotlivé vzorky Enset vláken byly zality do  parafínu. Objem jednotlivých vzorků byl stanoven vážením vzorku v  toluenu a  uplatňováním principu vztlaku (Kim et al. 2012). Získané výsledky byly vyjádřeny jako průměr ze tří opakování.

110

ACTA FACULTATIS TECHNICAE, XX, 2015 (2): 109–115

Na  vzorku vláken bylo stanoveno maximální tahové napětí 537 ± 77 MPa podle (ASTM D3379-75). Dále byl pomocí obrazové analýzy optickým mikroskopem (Zeiss Jenavert, Carl Zeiss, Jena, Germany) stanoven průměr vláken 0,1887 ± 0,0464 mm. Získané výsledky byly vyjádřeny jako průměr z dvaceti opakování. Jako plnivo byla využita Enset vlákna, ze kterých byly vytvořeny frakce o délce vláken 10, 15 mm a 30 mm v případě krátkovláknového kompozitního materiálu. V případě dlouhovláknového kompozitního materiálu měla vlákna shodnou délku jako byla délka zkušebních vzorků a byla umístěna ve směru zatěžování. Jako matrice byla využita epoxidová pryskyřice GlueEpox Rapid. Jedná se o dvousložkovou pryskyřici připravenou z bisfenolu A a epichlordydrinu. Tato epoxidová pryskyřice je vhodná jako zálevací hmota. Slouží jako matrice při výrobě kompozitů (Valášek 2014) . Smísením matrice a plniva v poměru 50:1 (2 %) byl vytvořen kompozitní materiál, kterého bylo použito k přípravě zkušebních těles (obr.1) dle normy CSN EN ISO 3167 (Plasty – Testovací vzorky, ČSN). V rámci výzkumu byly testovány kompozitní materiály obsahující 100 g pryskyřice GlueEpox Rapid a 2 g výztuže ve formě Ensete vláken. Formy pro odlití zkušebních vzorků byly vyrobeny z materiálu Lukapren N.

Obr. 1. Zkušební vzorek k provádění tahových zkouš Obr. 1. Zkušební vzorek k provádění tahových zkoušek (ČSN EN ISO 3167, 2004)

Obr. 1. Zkušební vzorek k provádění Laboratorní tahových zkoušek testy(ČSN EN ISO 3167, 2004) Laboratorní testy

Ke stanovení vztahu mezi tažnou silou a deformac tahové zkoušky (Labortech, MPTest 5.050, Ke stanovení vztahu mezi tažnou univerzální silou a deformací bylo využito zařízení k provádění Laboratorní testy univerzální tahové zkoušky (Labortech, MPTest 5.050, Česká republika). Tahová zkouška byla provedena podle (ČSN EN ISO 527). Deformační r Ke stanovení vztahu mezi deformací bylohodnoty využito zařízení provádění byla provedena podle (ČSNtažnou EN ISOsilou 527).aDeformační rychlost při tahové zkoušce k byla mm/min. Stanovené tahových sil byly pomocí ro mm/min. Stanovené(Labortech, hodnoty tahových sil byly pomocí rovnice 1 převedeny na tahová univerzální 6tahové zkoušky MPTest 5.050, Česká republika). Tahová a deformace převedeny pomocí rovnice 2 nazkouška relativní defo napětípodle a deformace 2 na relativní deformaci. byla provedena (ČSNpřevedeny EN ISOpomocí 527).rovnice Deformační rychlost při tahové zkoušce byla 6 mm/min. Stanovené hodnoty tahových sil byly pomocí rovnice 1 převedeny na tahová napětí F (1)  relativní  a deformace převedeny pomocí rovnice 2 na deformaci.

S

 

F S

σ – tahové napětí (MPa) F – tahová síla (N) S – plocha lomu vzorku (mm2)

σ – tahové napětí (MPa) F – tahová síla (N) S – plocha lomu vzorku (mm2)

σ – tahové napětí (MPa) ACTA FACULTATIS TECHNICAE, XX, 2015 (2): 109–115 F – tahová síla (N) x S – plocha lomu vzorku (mm2) 



x

(1)

111

L0

ε – relativní deformace (-)

(2)

S σ – tahové napětí (MPa) F – tahová síla (N) S – plocha lomu vzorku (mm2) ε – relativní deformace (-) x – deformace (mm) L0 – počáteční délka vzorku (mm)

VÝSLEDKY A DISKUZE

 

x L0

(2)

ε – relativní deformace (-) x – deformace (mm) L0 – počáteční délka vzorku (mm)

Zkušební vzorky kompozitního materiálu byly analyzovány pomocí optického mikroskopu a distribuce vláken v kompozitním materiálu je patrná z obr. 2.

VÝSLEDKY A DISKUZE

Zkušební vzorky kompozitního materiálu byly mikroskopu a distribuce vláken v kompozitním materiálu je

Obr. 2.kompozitního Zkušební vzorkymateriálu kompozitního materiálu s Ensete vlákny Obr. 2. Zkušební vzorky s Ensete vlákny

Pevnost v tahu zkušebních vzorků kompozitníhomateriálu materiálujejeuvedena uvedenana obr. na obr.3.3.Z obr. Z obr. Pevnost v tahu zkušebních vzorků kompozitního 33jejepatrné, vláken různých které jsou rovnoměrně rozmístěny Obr. 2. ZkušebníEnsete vzorky kompozitního materiálu sdélkách, Ensete vlákny patrné,že žepřidáním přidáním Ensete vlákenv v různých délkách, které jsou rovnoměrně rozmísvtěny matrici došlo ke snížení pevnosti v tahu, v tahu, oproti materiálu bez vláken. trend platí pro v matrici došlo ke snížení pevnosti oproti materiálu beznaTento vláken. Tento trend Pevnost v tahu zkušebních vzorkůPodobné kompozitníhovýsledky materiálu je uvedena obr. 3. Zkompozitních obr. krátkovláknové kompozitní materiály. epoxidových platí pro krátkovláknové kompozitní materiály. Podobné epoxidových 3 je patrné, že přidáním Ensete vláken v různých délkách, kterévýsledky jsou rovnoměrně rozmístěny kompomateriálů byly zjištěny u snížení vlákenpevnosti ze lnuv atahu, juty (Arrakhiz et al.vláken. 2013,Tento Ku trend et al.platí 2011). v matrici došloike oproti materiálu proKuNaopak zitních materiálů byly zjištěny i  u  vláken ze lnu a  jutybez(Arrakhiz et al. 2013, et al. u dlouhovláknových kompozitních kde byla zpevňující vláknakompozitních v celé své délce ve krátkovláknové kompozitní materiálů, materiály. Podobné výsledky epoxidových 2011). Naopak u dlouhovláknových kompozitních materiálů, kde byla zpevňující vlákna materiálůdošlo byly zjištěny i u vlákenpevnosti ze lnu a jutyv(Arrakhiz et al. 2013, Ku et al. bez 2011).vláken, Naopak kde byla směru zatěžování ke zvýšení tahu oproti materiálu u dlouhovláknových kompozitních materiálů, kde byla zpevňující vlákna v tahu v celé svéoproti délce vemateriálu v celé svépevnost délce ve směru zatěžování došlo ke zvýšení pevnosti stanovena v tahu 42.6 ± 2,9 MPa. směru zatěžování došlo ke zvýšení pevnosti v tahu oproti materiálu bez vláken, kde byla bez vláken,stanovena kde byla stanovena pevnost v tahu 42.6 ± 2,9 MPa. pevnost v tahu 42.6 ± 2,9 MPa.

3. Zkušební vzorek k prováděnítahových tahovýchzkoušek zkoušek (ČSN (ČSN EN Obr. Obr. 3. Zkušební vzorek k provádění ENISO ISO3167, 3167,2004) 2004) Ke statickému porovnání jednotlivých naměřených hodnot byl nejprve použit dvouvýběrový F-test k analýze shodnosti rozptylů. Po ověření analýzy rozptylů byl následně ACTA FACULTATIS TECHNICAE, XX, 2015 (2): 109–115 112 T-test významnosti rozdílů dvoutahových výběrovýchzkoušek průměrů. (ČSN Výsledné T-testu Obr. 3.použit Zkušební vzorek k provádění ENparametry ISO 3167, 2004) jsou uvedeny v tabulce 1. Jednotlivé naměřené hodnoty pro různé délky vláken byly porovnávány s materiálem bez vláken (etalon). Z obr. 3 je zřejmé, že došlo ke snížení pevnosti v případě krátkovláknového kompozitníhonaměřených materiálu a ke zvýšení pevnosti Ke statickému porovnání jednotlivých hodnot byl v případě nejprve použit dlouhovláknového kompozitního materiálu, což dokazují i koeficienty uvedené dvouvýběrový F-test k analýze shodnosti rozptylů. Po ověření analýzyT-testu rozptylů byl následně v tabulce 1.

použit T-test významnosti rozdílů dvou výběrových průměrů. Výsledné parametry T-testu

Ke statickému porovnání jednotlivých naměřených hodnot byl nejprve použit dvouvýběrový F-test k analýze shodnosti rozptylů. Po ověření analýzy rozptylů byl následně použit T-test významnosti rozdílů dvou výběrových průměrů. Výsledné parametry T-testu jsou uvedeny v tabulce 1. Jednotlivé naměřené hodnoty pro různé délky vláken byly porovnávány s materiálem bez vláken (etalon). Z obr. 3 je zřejmé, že došlo ke snížení pevnosti v případě krátkovláknového kompozitního materiálu a ke zvýšení pevnosti v případě dlouhovláknového kompozitního materiálu, což dokazují i koeficienty T-testu uvedené v tabulce 1. Tabulka 1. T-test pevnosti v tahu kompozitního materiálu – statistické porovnání s čistým vzorkem bez vláken T-test Pevnost v tahu Délka vláken

Tstat

tkrit

Pvalue

(mm)

(-)

(-)

(-)

10

2,513

2,447

0.046

15

3,673

2,777

0.021

30

2,922

2,571

0.032

dlouhovláknové

2,950

2,571

0,031

T-test H0: µ1 = µ2 (p>0,05)

Vlákna z rostliny Ensete ventricosum mají velmi dobré mechanické vlastnosti a proto mohou mít velký potenciál pro použití v  kompozitních materiálech. Přidáním různých druhů plniv do  kompozitních materiálů lze modifikovat jejich mechanické vlastnosti (Valášek, 2014). Jednou z možných úprav přírodních vláken pro zlepšení mechanických vlastností kompozitních materiálů je chemická úprava vláken. Využitím např. hydroxidu sodného (NaOH) dojde k odstranění vodíkové vazby ve struktuře sítě vláken a změně povrchové energie (Lee et al. 2009).

ZÁVĚR

Cílem tohoto experimentu bylo stanovení pevnosti v tahu kompozitního materiálu vyztuženého vlákny z rostliny falešného banánovníku Ensete ventricosum. Bylo zjištěno, že přidáním Ensete vláken v délce 10 – 30 mm, která byla rovnoměrně dispergována v matrici materiálu došlo ke snížení pevnosti v tahu kompozitního materiálu o 18,7 ± 2,8 % oproti materiálu bez vláken, kde byla stanovena pevnost v tahu na 42,6 ± 2,9 MPa. Tento trend je patrný i u ostatních přírodních vláken používaných v kompozitních materiálech a souvisí především s problematikou povrchové energie vláken. Naopak v případě dlou� hovláknových kompozitních materiálů, kde byla vlákna po celé délce zkušebního vzorku ve směru zatěžující síly, došlo ke zvýšení pevnosti v tahu o 21,3 ± 3.1% oproti materiálu bez vláken.

ACTA FACULTATIS TECHNICAE, XX, 2015 (2): 109–115

113

LITERATURA [1] ALVES, C., FERRAO, P.M.C., SILVA, A.J., REIS, L.G., FREITAS, M. & RODRIGUES, L.B. 2010. Ecodesign of automotive components making use of natural jute fiber composites. Journal of Cleaner Production 18, 313-327. [2] ARRAKHIZ, F.Z., ACHABY, M.E., MALHA, M., BENSALAH, M.O., FASSI – FEHRI, O., BOUHFID, R., BENMOUSSA, K. & QAISS, A. 2013. Mechanical and thermal properties of natural fibers reinforced polymer composites: Doum/low density polyethylene. Materials and Design 43, 205 – 205. [3] ASAE S410.1 DEC97. 1998. Moisture measurement of peanut. In: ASAE standards, 45th edition. 560–561. [4] ASEER, J.R., SANKARANARAYANASAMY, K., JAYABALAN, P., NATARAJAN, R., DASAN, K.P. 2013. Morphological, Physical and Thermal Properties of Chemically Treated Banana Fiber. Journal of Natural Fibers 10, 365 – 380. [5] BLAHOVEC, J. 2008. Agromaterials – study Guide. Czech University of Life Sciences Prague, Prague. [6] DIRIBA, H.D., MAZANCOVÁ, J., RUŠAROVÁ, K. & HAVRLAND, B. 2013. Possibilities and Acceptance of Alternative Energies from Farm Solid Waste Material (Kocho): Case Study from Kembata Tenbaro Zone. EthiopiaTropentag 2013 International Research on Food Security, Natural Resource Management and Rural Development Agricultural development within the rural-urban continuum, Gottingen. [7] HERÁK, D., HRABĚ, P., KABUTTEY, A., JAWESO, D.E., DIRIBA, H.D. 2014 Mechanical behavior of enset (ensete ventricosum) pulp under compression loading - A multipurpose product in Ethiopia. Journal of Food Process Engineering 37, 588 – 595. [8] HARUN, J., ABDAN, K. & ZAMAN, K. 2008. Rheological behaviour of injection moulded oil palm empty fruit bunch fiber-polypropylene composites: effects of electron beam processing versus maleated polypropylene. Molecular Crystals and Liquid Crystals Science 484,134–142. [9] HPSA, K., ISMAIL, H., ROZMAN, H.D. & AHMED, M.N. 2001. The effect of acetylation on interfacial shear strength between plant fibers and various matrices. European Polymer Journal 37, 1037–1045. [10] KELLER A. Compounding and mechanical properties of biodegradable hemp fiber composites. Compos Sci Technol 2003, 63:1307–16. [11] KIM, J.H., LEE, H.J., LEE, H.S., LIM, E.J., IMM, J.Y., SUH, H.J. 2012. Physical and sensory characteristics of fibre – enriched sponge cakes made with Opuntia humifusa. Food Science and Technology 47, 478–484. [12] KU, H., WANG, PATTARACHAIYAKOOP, N. & TRADA, M. 2011. A review on the tensile properties of natural fiber reinforced polymer composites. Composites: Part B 42, 856 – 873. [13] LEE, B.H., KIM, H.J. & YU, W.R. 2009. Fabrication of long and discontinuous natural fibre [14] reinforced polypropylene biocomposites and their mechanical properties. Fibers and Polymers 10, 83–90. [15] LU, X., QIU ZHANG, M., ZHI RONG, M., SHI, G. & CHENG YANG, G. 2003 Melt processable composites of sisal. Composites Science and Technology 63,177–186. [16] MOMINUL HAQUE, M., HASAN, M., SAIFUL ISLAM, M. & ERSHAD ALI, M. 2009. Physical– mechanical properties of chemically treated palm and coir fiber reinforced polypropylene. Bioresource Technology 100, 4903–4906. [17] SHARIFAH, H.A. & MARTIN, P.A. 2004. The effect of alkalization and fiber alignment on the mechanical and thermal properties of kenaf and hemp bast fiber composites: Part 1 – polyester resin matrix. Composites Science and Technology 64, 1219–30.

114

ACTA FACULTATIS TECHNICAE, XX, 2015 (2): 109–115

[18] TSEHAYE, Y. & KEBEBEW, F. 2006. Diversity and cultural use of Enset (Enset ventricosum (Welw.) Cheesman) in Bonga in situ Conservation Site, Ethiopia. Ethnobotany Research and Applications 4, 147–157. [19] VALÁŠEK, P., MÜLLER, M. & RUŽBARSKÝ, J. 2014. Using recycled rubber particles as filler of polymers. Applied Mechanics and Materials 616, 260–267. [20] VINCENT, H., WIERSAMA, J., KELL, S., FIEDLER, H., DOBBIE, S., CASTANEDA-ALVAREZ, N.P., GUARINO, L., EASTWOOD, R., LEON, B. & MAXTED, N. 2013. A prioritized crop wild relative inventory to help underpin global food security. Biological Conservation 167, 265–275. Tento článek byl realizovan s podporou IGA TF 2015:31130/1312/3104. Kontaktní adresa: Ing. Čestmír Mizera, tel.: +420 22438 3186, e-mail: [email protected]

ACTA FACULTATIS TECHNICAE, XX, 2015 (2): 109–115

115