[論文レビュー] Ultra-High Performance of Nano-Engineered Graphene-Based Natural Jute Fiber Composites

Forkan Sarker, Prasad Potluri+4 more|ePrints Soton (University of Southampton)|May 2, 2019

Natural Fiber Reinforced Composites参考文献 51被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ナノエンジニアリングを施したグラフェンベースの天然ジャクファイバー準プレフォームを提案し、繊維の並列配置とグラフェン誘導体による表面修飾を組み合わせた新規繊維構造（NFA）を採用することで、機械的特性を向上させた。この手法により、未処理ジャク-エポキシ複合材料と比較して、ヤング率は約324%、引張強度は約110%向上した。これにより、合成複合材料の高効率で持続可能な代替材料が実現された。

ABSTRACT

Natural fibers composites are considered as sustainable alternative to synthetic composites due to their environmental and economic benefits. However, they suffer from poor mechanical and interfacial properties due to a random fiber orientation and weak fiber-matrix interface. Here we report nano-engineered graphene-based natural jute fiber preforms with a new fiber architecture (NFA) which significantly improves their properties and performances. Our graphene-based NFA of jute fiber perform enhances Young modulus of jute-epoxy composites by ~324% and tensile strength by ~110% more than untreated jute fiber composites, by arranging fibers in parallel direction through individualisation and nano surface engineering with graphene derivatives. This could potentially lead to manufacturing of high performance natural alternatives to synthetic composites in various stiffness driven high performance applications.

研究の動機と目的

• 高い機械的性能を備えた持続可能な合成繊維複合材料の代替手段を開発すること。
• 天然ジャク繊維に内在する欠点、特に機械的特性の低さと繊維-マトリックス界面の弱さを是正すること。
• 繊維構造のナノエンジニアリングと表面修飾を用いて、ジャク-エポキシ複合材料の性能を向上させること。
• 荷重を支える用途に適した高剛性・高性能な天然繊維複合材料を実現すること。
• スケールアップ可能な形でグラフェン誘導体を用いて天然繊維複合材料を最適化する可能性を実証すること。

提案手法

• 個別化技術を用いてジャク繊維を並列に整列させる新規繊維構造（NFA）の設計および製造。
• エポキシマトリックスとの界面接着性を向上させるために、ジャク繊維の表面をグラフェン誘導体でエンジニアリング。
• 機械的プロセスを用いて天然ジャク繊維を解離・再配置し、一方向性のプレフォーム構造を形成。
• 界面結合性と荷重移行効率を向上させるために、グラフェンベースの被膜を適用。
• ナノエンジニアリングを施したプレフォームを用いてジャク-エポキシ複合材料を成形し、機械的特性評価を実施。
• 引張および曲げ試験を用いた定量的評価により、未処理ジャク複合材料と比較した機械的特性の差を測定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新規繊維構造（NFA）は、天然ジャク繊維複合材料の機械的特性を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 グラフェンベースの表面修飾は、ジャク-エポキシ複合材料における界面接着性をどの程度向上させるか？
• RQ3 個別化によるジャク繊維の並列配置は、ジャクベース複合材料の剛性および強度にどのように影響するか？
• RQ4 ナノエンジニアリングを用いることで、天然繊維複合材料が合成複合材料と同等の性能に達することができるか？
• RQ5 ナノエンジニアリングを施したジャクプレフォームを用いることで、ヤング率および引張強度にどの程度の定量的向上が見られるか？

主な発見

• ナノエンジニアリングを施したグラフェンベースのジャク繊維プレフォームは、未処理ジャク-エポキシ複合材料と比較して、ヤング率を約324%向上させた。
• エンジニアリング処理を施した複合材料の引張強度は、従来の未処理ジャク-エポキシ複合材料と比較して約110%向上した。
• 新規繊維構造（NFA）により、ジャク繊維の効果的な並列整列が実現され、荷重耐性が顕著に向上した。
• グラフェン誘導体による表面修飾により界面接着性が向上し、マトリックスから繊維への応力移行効率が向上した。
• 繊維の整列とナノコーティングの組み合わせが、機械的特性の相乗効果をもたらした。
• 本研究では、剛性が求められる工学的応用に適した、スケーラブルな高性能で持続可能な複合材料の実現ルートを示した。