DEVELOPMENT AND CHARACTERIZATION OF A COMPOSITE MATERIAL BASED ON DIFFERENT FIBER REINFORCEMENTS

Abstract

This study aims to develop sustainable composite materials by reinforcing biodegradable matrices with treated natural fibers, with an emphasis on improving mechanical properties while reducing environmental impact. Techniques for surface modification, including alkali treatment and cold plasma, were employed to enhance the adhesion between fibers and the matrix, thereby increasing tensile, flexural, and compressive strength. Comprehensive characterization using FT-IR, SEM, and XRD confirmed changes in chemical composition and improved surface morphology after treatment. Mechanical assessments revealed that hybrids of plasma-processed wool and Periploca laevigata Aiton fiber (PLAF) achieved a tensile strength of 26.02 MPa and a Young’s modulus of 2.35 GPa, exceeding the performance of the individual fiber composites. Flexural and compressive tests also showed improved load-bearing capacity, with the hybrid reaching 253.15 N and a compressive strength of 59.56 MPa. Cold plasma treatment was shown to be efficient in improving interfacial bonding by eliminating surface contaminants and altering fiber chemistry. In addition to the above, we carry out an investigation into the low-velocity impact performance of four epoxy-based composite materials reinforced with natural fibers: Periploca laevigata Aiton fiber (PLAF), untreated wool fiber (WLF), NaOH-treated wool fiber (NWLF), and a hybrid composite (PLAWLF) that merges cold plasma-treated wool fiber with PLAF. The composites were created through vacuum infusion molding and evaluated at impact energy levels of 5 J, 10 J, 30 J, and 50 J to assess peak load, displacement at peak load, and energy absorption. Research conducted on composites reinforced with treated horse tail hair fibers (THHF) demonstrated remarkable strength and rigidity. Alkaline-treated THHF showed an average single tensile strength of 129.34 MPa and a Young’s modulus of 5.72 GPa. When incorporated into the matrix, the composite reached a tensile strength of 59.23 MPa and a flexural strength of 63.27 MPa, maintaining consistent compressive performance (66.14–78.82 MPa). تهدف هذه الدراسة إلى تطوير مواد مركبة مستدامة من خلال تدعيم المصفوفات القابلة للتحلل الحيوي بألياف طبيعية معالجة، مع التركيز على تحسين الخصائص الميكانيكية وتقليل التأثير البيئي في الوقت نفسه . تم استخدام تقنيات لتعديل السطح، بما في ذلك المعالجة القلوية والمعالجة بالبلازما الباردة، لتعزيز الالتصاق بين الألياف والمصفوفة، مما أدى إلى زيادة مقاومة الشد والانحناء والضغط . أكدت التحليلات الشاملة باستخدام تقنيات FT-IR و SEM و XRD حدوث تغییرات في التركيب الكيميائي وتحسن في البنية السطحية بعد المعالجة كشفت التقييمات الميكانيكية أن الهجائن المكونة من ألياف الصوف المعالجة بالبلازما وألياف نبات (Periploca laevigata Aiton (PLAF حققت مقاومة شد بلغت 26.02 ميغا باسكال ومعامل يونغ بلغ 2.35 غيغا باسكال، متجاوزة أداء المركبات أحادية الألياف . كما أظهرت اختبارات الانحناء والضغط تحسنا في القدرة على تحمل الأحمال، حيث وصلت المقاومة إلى 253.15 نيوتن وقوة الضغط إلى 59.56 ميغا باسكال . وقد ثبت أن المعالجة بالبلازما الباردة فعالة في تحسين الترابط البيني من خلال إزالة الملوثات السطحية وتعديل التركيب الكيميائي للألياف. بالإضافة إلى ما سبق، أجرينا تحقيقا في أداء الصدمة منخفضة السرعة لأربعة مواد مركبة أساسها الإيبوكسي ومدعمة بألياف طبيعية، وهي : ألياف (Periploca laevigata Aiton (PLAF ، ألياف الصوف غير المعالجة (WLF) ، ألياف الصوف المعالجة بهيدروكسيد الصوديوم (NWLF) ، والمركب الهجين (PLAWLF) الذي يجمع بين ألياف الصوف المعالجة بالبلازما الباردة وألياف PLAF. تم تصنيع هذه المركبات باستخدام تقنية القولبة بالحقن الفراغي، وتم تقييمها عند مستويات طاقة تصادم بلغت 5 جول 10 جول 30 جول، و 50 جول لقياس الحمل الأقصى، والإزاحة عند الحمل الأقصى، وامتصاص الطاقة. أظهرت الأبحاث التي أجريت على المواد المركبة المدعمة بألياف ذيل الحصان المعالجة (THHF) قوة وصلابة ملحوظتين حيث سجلت الألياف المعالجة قلوياً متوسط مقاومة شد مفردة بلغ 129.34 ميغا باسكال ومعامل يونغ بلغ 5.72 غيغا باسكال . وعند دمجها في المصفوفة، وصلت مقاومة الشد في المركب إلى 59.23 ميغا باسكال، بينما بلغت مقاومة الانحناء 63.27 ميغا باسكال، مع الحفاظ على أداء ضغط مستقر يتراوح بين 66.14 و 78.82 ميغا باسكال