Analyse der Charakterisierung von NaOH

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12579 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Naturfasern sind erneuerbar und werden in großem Umfang für strukturelle und medizinische Anwendungen genutzt. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Oberflächenmodifizierung zur Faserverstärkung mithilfe einer alkalischen Behandlungstechnik zur Gewinnung von Rohfasern aus der Luftwurzelrinde von Banyan (Ficus benghalensis). Mit einer 10 %igen NaOH-Lösung wurde versucht, die kristallinen, Oberflächen-, thermischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften der Banyan-Luftwurzelfaser (BAF) zu verbessern. Fünf BAF-Proben wurden hergestellt, indem die unverarbeitete Faser unterschiedlich lange in einer alkalischen Lösung eingeweicht wurde. Auf der Oberfläche des behandelten BAF war eine höhere Konzentration an Cellulose zu erkennen. Der Röntgenbeugungstest ergab, dass sich der Kristallinitätsindex um 52 % verbesserte, bei einer Kristalldimension von 51,2 nm. Es wurde beobachtet, dass der Kristallgehalt in den behandelten Banyan-Luftwurzelfasern aufgrund dieser Alkalibehandlung erhöht ist. Die Bedeutung der Naturfasercharakterisierung wird ebenfalls kurz erörtert, und diese Zusammenfassung wird als Ressource für zukünftige Studien zu Naturfaserverbundwerkstoffen durch andere Forscher dienen.

Die Verstärkung von thermoplastischen und duroplastischen Polymeren macht den Großteil der chemischen Behandlungen für Naturfasern aus. Eine Erhöhung der Oberflächenrauheit und Faserfestigkeit resultiert aus dem Aufbrechen von Wasserstoffbrückenbindungen in der Netzwerkstruktur der Fasern1. Bei diesem Vorgang werden die Fasern gefestigt. Durch die Zugabe von NaOH zu Naturfasern wird die Hydroxylgruppe in ein Alkoxidion umgewandelt. Aufgrund seiner vielfältigen Eigenschaften greifen immer mehr Menschen auf naturfaserverstärkte Polymerverbundstoffe zurück2. Naturfasern erfreuen sich aufgrund ihrer vielen wünschenswerten Eigenschaften zunehmender Beliebtheit, darunter niedrige Kosten, biologische Abbaubarkeit, Recyclingfähigkeit, Abriebfestigkeit, Brennbarkeit, geringes Gewicht und fehlende Toxizität. Die Verarbeitung von Rohstoffen und der Aufbau von Verbundstrukturen sind zwar noch komplex, erfordern jedoch weiteres grundlegendes Verständnis3.

Es gibt viele Orte auf der Welt, an denen Naturfasern aus verschiedenen Tieren, Pflanzen und sogar Mineralien gewonnen werden können. Extraktionsverfahren und verschiedene Verarbeitungstechniken beeinflussen die Qualität von Naturfasern4. Naturfaserverstärkte Verbundwerkstoffe, die als Ersatz für Glasfaserverbundwerkstoffe gedacht sind, waren Gegenstand experimenteller Entwicklung. FTIR, XPS und ESEM wurden verwendet, um die unbehandelten und behandelten Oberflächen von Naturfasern zu charakterisieren5. Die Entfernung von Hemizellulose und Lignin von Naturfaseroberflächen wurde durch Verschiebungen der Peaks bei 1730, 1625 und 1239 cm−1 im FTIR-Spektrum nach der Alkalibehandlung belegt. Die ESEM-Analyse von behandeltem Hanf und Kenaf ergab das Vorhandensein von Silan. Die Oberflächenqualität dieser Naturfasern könnte durch eine geeignete Oberflächenbehandlung und chemische Behandlung verbessert werden6. Auf diese Weise behandelte Fasern nehmen weniger Wasser auf, werden klebriger und steigern die Gesamtleistung der Polymerverbundstoffe7. Die alkalische Therapie (NaOH) ist die am häufigsten verwendete chemische Behandlung, da sie sowohl praktisch als auch kostengünstig ist. In diesem Übersichtsartikel werden Klassifizierung, Zusammensetzung, Struktur, Eigenschaften, Extraktionstechniken, chemische und Oberflächenbehandlungen und mehr für Naturfasern vorgeschlagen. Wir fassen auch die Ergebnisse früherer Studien zur Faserbehandlung, Eigenschaften und Anwendungen von Verbundwerkstoffen aus natürlichen/natürlichen Hybridpolymeren und Verbundwerkstoffen aus natürlichen/synthetischen Hybridpolymeren zusammen8. Ziel dieser Forschung war es, die Machbarkeit der Verwendung von Etlingera elatior-Stielen als Quelle für Naturfasern zu bewerten. Der Stiel wurde 32 Tage lang in Wasser getaucht, um die Fasern zu gewinnen, was als „Wasserröste“ bekannt ist. Anhand der vorliegenden Testergebnisse wurde das Potenzial der Faser für die Verarbeitung zu Garn beurteilt9. Die FT-IR-Spektren der Etlingera-Elatior-Faser zeigen Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Es wurde berechnet, dass der Kristallinitätsindex 43,93 % betrug.

Viele kleine Fasern bilden ein Bündel von Etlingera elatior. In der Faser wurden Oberflächenunregelmäßigkeiten und Rauheiten festgestellt10. Die Querschnitte der Fasern sind in den unterschiedlichsten Größen und Formen erhältlich, von perfekt rund über halblänglich bis oval. Für die Fasern wurde eine Zugfestigkeit von 32,76 g/Tex und eine Dehnung von 11,8 Prozent gemessen. Die Fasern erreichten eine Feinheit von 6,67 Tex. Die durchschnittliche Höhe betrug 121,30 Zoll Länge. Etlingera elatior-Fasern sind hygroskopisch und behalten beim Trocknen 11,79 % ihrer ursprünglichen Feuchtigkeit. Der durchschnittliche Reibungskoeffizient der Fasern betrug 0,2. Hinsichtlich der Faserqualität sind Etlingera-Elatior-Fasern zum Spinnen geeignet. Die aus der Pflanze Etlingera elatior gewonnenen Naturfasern könnten in der Textilindustrie Verwendung finden11. Die Auswirkung verschiedener Oberflächenbehandlungen auf die thermomechanischen und wasserabsorbierenden Fähigkeiten von mit Kokosnussstielfasern verstärkten Polymerverbundwerkstoffen. Der mit Kaliumpermanganat behandelte CTPF-Verbundwerkstoff eignet sich aufgrund seiner maximalen Zugfestigkeit von 128 MPa, Biegefestigkeit von 119 MPa, Schlagzähigkeit von 9,9 J/cm2, einem Härtewert von 99 HRRW und einer thermischen Stabilität von bis zu leichten Mobilitäts- und Strukturanwendungen 193 °C12.

In den letzten Jahrzehnten wurden neue Materialien geschaffen, um das menschliche Wohlbefinden zu steigern. Die Herstellung von Plattenmaterialien zur Fixierung gebrochener Knochen ist von entscheidender Bedeutung, da Knochenbrüche häufig vorkommen. Das Material für diese Platten sollte leicht, sicher für menschliches Gewebe und steif genug sein, um seine Aufgabe zu erfüllen. Naturfasern sind von Natur aus erneuerbar und haben auf dem Markt auch einen höheren wahrgenommenen Wert13. Beispielsweise werden in Indien häufig Sisal, Banane und Roselle als Bewehrung verwendet, die alle aus den asiatischen Märkten stammen14. Diese Studie beschreibt detailliert den Formprozess zur Herstellung von Platten aus pulverisierten Naturfasern wie Sisal (Agave sisalana), Banane (Musa sapientum) und Roselle (Hibiscus sabdariffa) unter Verwendung von Bio-Epoxidharz der Güteklasse 3554A und Härter 3554B. Die aktuelle Studie konzentriert sich auf die Vorhersage der Biegesteifigkeit des NFRP-Verbundwerkstoffs und den Vergleich dieser Vorhersage mit den Ergebnissen der ANSYS-Lösung15. Man ist sich einig, dass man sich in den meisten Punkten einig ist. Mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops wird die Mikrostruktur des Materials untersucht. Das Hauptziel der Studie bestand darin, Wege zu finden, erneuerbare Ressourcen bei der Herstellung von Biokompositmaterialien aus Biopolymeren und Naturfasern zu nutzen. Dieses Plattenmaterial ist außen mit einem Komposit aus Kalziumphosphat und Hydroxylapatit (Hybrid) beschichtet und kann künftig zur inneren und äußeren Fixierung gebrochener Knochen eingesetzt werden16. Identifizieren Sie die Ergebnisse der Sorptions- und dielektrischen Eigenschaften von gewebter Jute nach der Behandlung mit einer Alkalilösung. Nach einer Alkalibehandlung zeigten Fasern eine verbesserte Feuchtigkeitsaufnahmefähigkeit und eine höhere Fähigkeit, Wasser zu speichern. Samen- und Rindenfasern wurden auf ihr Potenzial als neues Material für faserverstärkte Verbundwerkstoffe untersucht. Die Untersuchung zeigte, dass Rindenfasern im Vergleich zu Samenfasern mehr Zellulose und weniger Lignin und extrahierte Fasern enthielten17.

Aus den oben genannten Studien lässt sich schließen, dass die Oberflächenmodifikation die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Banyanfaser verbessern soll. Die einzigartige Faser wurde aus der Banyan-Luftwurzel gewonnen, was bedeutet, dass der Baum nicht abgerissen wurde, um diese neue Faser herzustellen. Dadurch kann diese Banyan-Luftwurzelfaser negative Auswirkungen auf die Umwelt verringern und gleichzeitig die Naturfaserverstärkung bei der Herstellung von Polymerverbundprodukten verbessern. Daher versucht diese Arbeit, die kristallinen, Oberflächen-, thermischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften von Banyan-Luftwurzelfasern (BAF) mithilfe einer 10-gewichtsprozentigen NaOH-Lösung zu verbessern und weiter durch SEM, EDX, XRD, FTIR, TGA zu analysieren. Zugfestigkeit und Partikelgröße.

Diese Studie entspricht den relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen. Banyan-Luftwurzelfaser ist eine Naturfaser, die von einem Banyanbaum im Dorf Periyagaram im indischen Bundesstaat Tamil Nadu gewonnen wird. Bei der gebräuchlichsten Technik, der Wasserröste, werden Bündel von Banyan-Luftwurzelstängeln in Wasser getaucht. Wenn Wasser in den Kern des Stiels gelangt, vergrößern sich die inneren Zellen und durchbrechen die äußere Schicht, sodass mehr Wasser und Fäulnis verursachende Bakterien absorbiert werden können. Natriumhydroxid wurde zur Oberflächenmodifizierung der alkalischen Behandlung verwendet, nachdem die Rohfasern durch Wasserröste und Nähen gewonnen wurden18. Die extrahierten Fasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,241 mm wurden für die Proben A bis D mit einer 10 %igen Natriumhydroxidlösung eingeweicht und anschließend 30, 60, 90, 120 und 150 Minuten bei Raumtemperatur eingeweicht. Um das Alkali nach der empfohlenen Einweichdauer von der Faseroberfläche zu entfernen, wurde in einem Neutralisationsverfahren eine 2 %ige Essigsäurelösung verwendet19. Nach der Neutralisierung wurde die Faser mit einer 1 %igen Natriumbicarbonatlösung gewaschen und 24 Stunden lang an der Luft getrocknet, um vor dem Testen jegliche Feuchtigkeit zu entfernen20. Abbildung 1 zeigt den Faserextraktionsprozess aus Banyan-Luftwurzeln und alkalibehandeltem BAF.

Der Extraktionsprozess von Banyan-Luftwurzelfasern.

Die aus der Banyan-Luftwurzel gewonnene Faser und die Faseroberfläche wurden durch alkalische Behandlung modifiziert. Identifiziert nach Abschluss der Faserbehandlung die Charakterisierung der Faser, die bei der Durchführung des Anwendungsteils hilfreich ist. Die behandelte Faser wurde hinsichtlich ihres Zellulose-, Hemizellulose-, Wachs-, Lignin-, Feuchtigkeits- und Verunreinigungsgehalts mit einer unbehandelten Kontrollprobe verglichen. Daher wurde die Banyanfaser gemäß ASTM-Standards für verschiedene Charakterisierungsanalysen untersucht: SEM, EDX, TGA, FTIR, XRD und physikalische Eigenschaften des Faserdurchmessers und der Zugfestigkeit. LEICA – Strellaris & CLSM-Mikroskopprüfgeräte werden für die Rasterelektronenmikroskopie-Untersuchung verwendet, um die Mikrostrukturoberfläche der behandelten Banyanfaser zu bestimmen und sie mit der Struktur der unbehandelten Faser zu vergleichen. Morphologische Prüfung an metallbeschichteten, vollständig getrockneten und alkaligereinigten Banyanfasern (Gold-Palladium). Die Proben wurden mit Metall beschichtet und sind nun elektrisch leitfähig. Bei dieser Rasterelektronenmikroskopstudie wurde eine Beschleunigungsspannung von 5 kV verwendet. Die energiedispersive Röntgenmikroanalyse (EDX) ist eine Elementaranalyse (z. B. Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff usw.) von Naturfasern, die mit Rasterelektronenmikroskopie gekoppelt ist und auf der Erzeugung charakteristischer Röntgenstrahlen beruht, die das aufdecken Vorhandensein von Elementen in den Proben21.

Der Massenverlust einer einzelnen Banyanfaser wurde dann mithilfe des TGA Thermostep-Geräts von ELTRA bestimmt, um eine thermogravimetrische Untersuchung der thermischen Stabilität der Faser über einen Temperaturbereich von 32 °C bis 450 °C im Stickstoff-Inertgasmodus durchzuführen. Die Probenvorbereitung für die Banyanfaser erfolgte gemäß der Norm ASTM E1131 und es wurde ein 5-g-Partikel erzeugt. Zur Lagerung des BAF während seiner Auswertung im Thermoanalysator wurde ein Platintiegel verwendet. Der Test wurde in einer Stickstoffgasatmosphäre durchgeführt, um die Möglichkeit einer Oxidation der BAF-Probe auszuschließen. Bei allen BAF-Proben wurde die kinetische Aktivierungsenergie bestimmt. Die behandelten Faserproben wurden mittels Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) analysiert, um die verschiedenen funktionellen Gruppen zu bestimmen. Alle Messungen wurden mit einem Versuchsaufbau durchgeführt, der ein RXI-Spektrometer von Perkin Elmer umfasste, das mit 20 Scans pro Minute und einer Auflösung von 4 cm−1 im Wellenzahlbereich von 400 cm−1 bis 5000 cm−1 scannt. Informationen zu den vorhandenen funktionellen Gruppen wurden durch die Erfassung des Spektrums aus der experimentellen Studie22 erfasst. Die mit NaOH behandelte Banyanfaser (Faserform) wurde einer Röntgenbeugung im Bruker-D8-Modell unterzogen, um die Kristallstruktur und die in der Zellulosefaser vorhandenen Verbindungen gemäß der für das Experiment verwendeten Norm ASTM E43-49 zu identifizieren. Das Beugungsmuster und die Röntgenbeugungsmethode verwenden ein Kupferspektrum bei einer Wellenlänge von 1,54 Angström im Reflexionsmodus. Zur Festlegung der Betriebsparameter wurde die Arbeitsspannung auf 40 kV eingestellt. Die zur Berechnung des Kristallinitätsindex aus XRD-Ergebnissen verwendete Gleichung lautet CI (%) = (1– I am/I200) × 100, und die Kristallgröße kann anhand der Gleichung als CS = (k(λ/β).cos θ gemessen werden ), die Halbwertsbreite (FWHM) des Peaks beträgt β, die Röntgenwellenlänge (1,54 nm), die Scherrer-Konstante (k = 0,89) und der Beugungswinkel23. Der θ-Faserdurchmesser wurde mit einem DINO LITE-Digitalmikroskop mit einer Vergrößerung von 220 × bestimmt. Die Zugfestigkeit der behandelten Banyan-Faser wurde mit UTM unter einem 3-kW-Belastungsprüfgerät gemäß der Norm ASTM 638D bestimmt und mit der Zugfestigkeit unbehandelter Banyan-Faser24 verglichen.

Kristallitgröße und Kristallinitätsindex, zwei Indikatoren für die kristalline Natur einer Faser, wurden gemessen und berichtet. Es wurde eine Röntgenbeugungsanalyse durchgeführt25. Abbildung 2 zeigt das XRD-Diagramm für diese Banyan-Luftwurzelfaser. Bei den 2θ-Winkeln liegen die auffälligsten Peaks bei 15,052°, 24,654° und 30,260° mit entsprechenden Intensitäten von 447, 410 bzw. 236. Die breiten Cellulosepeaks wurden in diesem XRD-Diagramm bei 23° mit einer Intensität von jeweils 217 Zählern beobachtet.

XRD-Diagramm einer mit NaOH behandelten Banyanfaser.

Der Kristallinitätsindex dieser behandelten Banyan-Luftwurzelfaser beträgt 52 %, in dieser natürlichen Faser wurde ein amorpher Gehalt von 48 % beobachtet und die Kristallgröße dieser behandelten Banyan-Faser beträgt 51,2 nm. Der aus der Literatur ermittelte KI-Wert für unbehandelte Banyanfasern beträgt 39 %, was deutlich zeigt, dass die chemische Behandlung zur Verbesserung der Charakterisierung der natürlichen BAF-Fasern eingesetzt wird. Eine andere Studie verwendete eine herkömmliche Formel zur Bestimmung des Kristallinitätsindexwerts und stellte fest, dass dieser 48,64 % betrug, viel höher als der FSF der Flachsstammfaser (42,92 %) der unbehandelten heiligen Feigenfaser, aber niedriger als der FSF der behandelten Banyanfaser26. Mithilfe der Scherer-Gleichung wurde ermittelt, dass die Kristallitgröße des behandelten BAF 51,2 nm betrug, was einem Anstieg von 0,971 nm im Vergleich zur Kristallitgröße in unbehandelter Faser entspricht. Die zunehmende Kristallitgröße ist auf die Bildung von Sodacellulosen zurückzuführen, die auftreten kann, wenn eine Alkalilösung in die kristallinen Bereiche eindringt7. Dies öffnet die Tür für einen zufälligen Bruch der Zelluloseketten innerhalb der kristallinen Domänen.

Aufgrund des Axialkraftbedarfs des Materials ist bei allen strukturellen Anwendungen ein Zugversuch obligatorisch. In dieser Arbeit wurden Banyan-Luftwurzelfasern extrahiert und in verschiedenen Zeiträumen, nämlich 30, 60, 90, 120 und 150 Minuten, mit einer alkalischen Lösung behandelt. Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Eintauchzeit von 120 Minuten für diese Zugfestigkeit von 29 MPa unter allen anderen Zeiträumen; Die maximale Zugfestigkeit dieses BAF-Materials betrug 120 Minuten. Der Hauptgrund für diese Ergebnisse ist, dass die natürliche Faser der Banyan-Luftwurzelfaser die Faserqualität während dieser Faserbehandlung unter Natriumhydroxidlösung für einen Zeitraum von bis zu 120 Minuten verbessern kann. Dann kann es aufgrund der Verringerung der Faserfestigkeit unter dieser NaOH-Lösung zu einer Verringerung der Festigkeit kommen, wodurch die Entfernung der Verunreinigungen 120 Minuten dauert. Mit zunehmender Zeit beginnt es, die Ebene der inneren Moleküle der Ballaststoffe zu durchqueren26. Die Ergebnisse der Zugfestigkeit für dieses BAF sind in Abb. 3 dargestellt. Die Faserbehandlung in verschiedenen Zeiträumen wurde als Proben A bis E (30, 60, 90, 120 bzw. 150 Minuten) angegeben.

Zugfestigkeit von BAF bei unterschiedlichen Eintauchzeiten.

Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse der thermogravimetrischen Analyse von Banyanfasern, die bei unterschiedlichen Eintauchzeiten behandelt wurden. Die Ergebnisse zeigten eine Masse bei maximaler Temperatur, die bei einer Eintauchzeit von 120 Minuten und bei einer minimalen Temperatur von 30 Minuten erreicht wurde. Der erste Spitzenwert wird für alle Messwerte zwischen 50 und 100 °C erhalten, und die zweiten Spitzenwerte steigen zwischen 250 und 300 °C an. Die Spitzenwerte werden in der ersten Stufe sichtbar, wenn bei niedriger Temperatur flüchtige Materialien entfernt werden, und in der zweiten Stufe wird Wärme absorbiert und das Material beginnt, den Brennpunkt zu erreichen. Daher zeigten die TGA-Diagramme, dass diese behandelte Banyanfaser bei einer Eintauchzeit von 120 Minuten mehr Hitze aushalten und den Massenverlust bei höheren Temperaturen reduzieren konnte. Die TGA-Ergebnisse unbehandelter Fasern aus einer anderen Untersuchung zeigen, dass die Spitzenwerte bei 40 bis 80 °C beginnen und der Brennpunkt, der 260 °C erreicht, einen klaren Beweis für die alkalische Behandlung liefern kann, die zur Verbesserung der Faser in diesem Experiment mit dem thermischen Stabilitätsmodus verwendet wurde. Wie in entsprechenden Studien festgestellt wurde, weist die behandelte FSF eine viel höhere thermische Stabilität auf als die unbehandelte Sisalfaser. Die behandelte Sisalfaser, die 60 Minuten lang eingetaucht wurde, zeigte im Vergleich zu den anderen Einweichintervallen die unglaublichste thermische Stabilität27.

TGA-Kurve für die verschiedenen Eintauchzeiten von Banyanfasern.

Aufgrund der kovalenten Bindung zwischen Zellulose und Fasermaterialien beginnt die Zellulose in der Faser im zweiten Schritt zu verbrennen. Basierend auf der TGA-Kurve beginnt der Massenverlust außerdem bei 250 °C für den zweiten Peak. Dies ist eine bedeutende Fasereigenschaft, die bei der Anwendung im Hochtemperaturmodus für die Strukturmaterialien funktionieren kann. Das thermische Abbauverhalten von Zellulosefasern wird durch die Alkalibehandlung drastisch verändert. Die TGA-Analyse ergab, dass die Fasern 24 Stunden nach der Behandlung mit 0,5 % NaOH einen Feuchtigkeitsgehalt von 6,17 % aufwiesen, während unbehandelte Jutefasern einen Feuchtigkeitsgehalt von 11,32 % aufwiesen. Die Hydrophobie der Jutefaser scheint laut TGA-Messung abgenommen zu haben. Dies liegt daran, dass durch die Alkalibehandlung amorphe Hemizellulose- und Ligninbestandteile aus den Fasern entfernt werden, wodurch die behandelten Fasern thermisch stabiler werden als die unbehandelten Fasern28.

Die physikalische Analyse umfasst den Faserdurchmesser und die Dichte der behandelten Fasern. Das Mikroskop maß den Durchmesser einer einzelnen Banyanfaser, wie in Abb. 5 dargestellt. Der unbehandelte Banyanfaserdurchmesser beträgt 0,29 mm, was der Literatur entnommen wurde, und der behandelte Faserdurchmesser wurde für eine Eintauchzeit von 120 Minuten auf einer Skala von berechnet 0,1 mm und der Durchmesser ist 0,241 mm, 16 % kleiner als der Durchmesser der rohen Banyanfaser. Der Grund für die Durchmesserverringerung liegt darin, dass bei der alkalischen Behandlung Lignin, Zellulose und andere Verunreinigungen aus der Rohfaser entfernt werden29. Die Dichte behandelter Banyanfasern beträgt 1,52 g/cm3 im Vergleich zu unbehandelten Fasern, die aufgrund der verringerten Fläche und der erhöhten Fasermasse aufgrund dieser NaOH-Behandlung dicht sind. Die erhöhte Dichte von FSF kann auf einen Anstieg der vergleichsweise dichten Zellulosegehalte auf der Faseroberfläche zurückzuführen sein.

Mikroskopisches Bild einer mit 10 % NaOH behandelten Banyanfaser.

Das Analyseergebnis zwischen Wellenzahl und normalisiertem Transmissionsgrad trägt eine Frequenzwelle mit signifikanten Spitzen. Es gibt eine O-H-Gruppe, die das Vorhandensein von Cellulose bestätigt. Eine CH-Gruppe weist auf das Vorhandensein von Hemizellulose hin; eine C=C-Gruppe bestätigt das Vorhandensein von Wachs; und eine C-OH-Gruppe bestätigt das Vorhandensein von Lignin, alles basierend auf den kritischen Punkten30. Das Vorhandensein von Zellulosebestandteilen in der behandelten Banyanfaser wurde durch die Beobachtung chemischer Banden bestätigt, die mit der chemischen Hydroxylgruppe bei 2923 cm–1 und 1016 cm–1 assoziiert sind, genau wie im rohen BAF. Peaks verifizierten den Beitrag des Wachsgehalts auf der Oberfläche bei 1583 und 1415 cm−1, was auf die (CC-Bindung) in der Rohfaser hinweist. Da der Carbonylpeak in unbehandelten Banyanfasern zwischen 2362,74 und 2046,65 cm−1 liegt, kann gefolgert werden, dass die Hemicellulosegruppe nach der Behandlung mit 10 % NaOH hauptsächlich von der Faseroberfläche entfernt wurde.

In ähnlicher Weise wurde in einer anderen Studie der Peak bei 1740–1750 cm−1 in mit NaOH behandeltem Hanf eliminiert. Dies liegt daran, dass das Pektin und das Wachs, die die Hanffasern auf natürliche Weise umhüllten, entfernt wurden. Unbehandelte Fasern erreichten Spitzenwerte von 1100 cm–1 und 2850 cm–1 und wurden nach der Behandlung isoliert. Die Wechselwirkung von NaOH mit einer kleinen alkoholischen Gruppe könnte Aufschluss über das Verschwinden des 1100-cm-1-Peaks geben, und das Verschwinden des 2850-cm-1-Peaks während der NaOH-Behandlung hing wahrscheinlich mit der Entfernung einer Methangruppe zusammen30. Die Wirkung der Alkalibehandlung auf die Hemizelluloseentfernung ist im FTIR-Diagramm nicht zu erkennen. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen jedoch, dass die Behandlung den Hemizellulosegehalt auf der Faseroberfläche verringert. Das FTIR-Spektrum von Banyanfasern, die mit einer alkalischen Lösung behandelt wurden, ist in Abb. 6 dargestellt.

FTIR-Ergebnisse von mit 10 % NaOH behandelter Banyanfaser.

Um mehr über die Faser zu erfahren, wird eine Untersuchung der Faseroberfläche mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) durchgeführt. Neben der Messung des durchschnittlichen Faserdurchmessers mit hoher Vergrößerungsauflösung ermöglicht uns die SEM die einfache Visualisierung der Verteilung der über die gesamte Faseroberfläche vorhandenen Elemente. Forscher haben gezeigt, dass der Gehalt an Hemizellulose, Lignin und Wachs/Verunreinigungen als weiße Schichten, eine nagelartige Morphologie bzw. winzige diskontinuierliche Abschnitte auftritt30. Die Bindungseigenschaften von Fasern können aufgrund ihres Aussehens während der Bindung als rau oder glatt identifiziert werden. Abbildung 7 zeigt ein REM-Bild einer mit NaOH behandelten Banyanfaser.

REM-Bild einer mit NaOH behandelten Banyanfaser.

Auf den Bildern war die Faser kugelförmig und voller Mikrofasern. Es wurde vermutet, dass sich Wachse, Schmutz und Öle auf der Oberfläche befanden. Zur Herstellung der Polymermatrix ist eine chemische Verarbeitung der Banyan-Luftwurzelfasern erforderlich, da hier die Verunreinigungen und organischen Elemente entfernt werden. Die Oberfläche der Faser muss für die Haftung der Polymermatrix optimiert sein.

Bei diesem Experiment wurde die Elementaranalyse verwendet, um das Vorhandensein von Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff usw. in der behandelten Banyanfaser zu bestimmen. Das Gewicht und der Atomprozentsatz der Elemente in der mit NaOH behandelten Banyanfaser wurden quantitativ analysiert. Kohlenstoff und Sauerstoff machen den Großteil der Faseroberfläche aus und sind die Grundbestandteile von BAF-Fasern. Kohlenstoff hat ein Gewicht von 55,1 % und einen Atomprozentsatz von 59,12, während Sauerstoff ein Gewicht von 9,6 % und einen Atomprozentsatz von 36,97 hat. In den EDX-Ergebnissen werden neben den anderen Elementen auch Kalzium, Kalium, Natrium und Magnesium dargestellt. Eine andere Studie ergab, dass Palmfasern, eine weitere Naturfaser, jeweils 55,1 % Kohlenstoff und 22,4 % Kupfer, 13,3 % Zink und 9,1 % Sauerstoff enthalten. Daher zeigt der höhere Kohlenstoff- und Cu-Gehalt der Banyanfaser die Überlegenheit der ersteren gegenüber der letzteren31. Das EDX-Diagramm einer Banyan-Luftwurzelfaser ist in Abb. 8 dargestellt.

EDX-Diagramm von mit NaOH behandelten Banyanfasern.

Die Charakterisierung der Faseroberfläche ist ein wesentlicher erster Schritt bei der Untersuchung ihrer anderen Eigenschaften, wie etwa ihres physikalischen, chemischen und Zugverhaltens. Fasern können aus Blättern, Stängeln und Wurzeln gewonnen werden, wobei die gewählte Methode vom Forscher und der Verfügbarkeit der Extraktionsausrüstung abhängt. Die Verwendung von mit Alkali behandeltem BAF erwies sich in der aktuellen Studie als geeignet für strukturelle Zwecke. Die Ergebnisse der chemischen Analyse deuteten darauf hin, dass der kristalline Bereich der Roh-BAFs zu 52 % und die amorphen Bestandteile zu 48 % wie Hemizellulose, Lignin, Wachs und andere Verunreinigungen durch die Alkalibehandlung mit 10 Gew.-% NaOH und einer Eintauchzeit von 120 Minuten deutlich reduziert werden könnten. Die Behandlung der BAFs mit Alkali erwies sich laut FTIR- und XRD-Analysen als wirksam bei der Entfernung der amorphen Komponenten. Die maximale Zugfestigkeit wurde bei einer Eintauchzeit von 120 Minuten beobachtet. Das Ergebnis der Zugfestigkeit beträgt 29 MPa. Die TGA-Analyse zeigte, dass die Oberflächenmodifikationen die um 13 % höhere thermische Stabilität der BAFs verbessern könnten. Die Oberflächenbeschaffenheit von rohen BAFs, die zur chemischen NaOH-Behandlung eingesetzt werden, wurde mithilfe von SEM- und EDX-Untersuchungen aufgeklärt. Es wurde festgestellt, dass die Oberfläche von Naturfasern, die 120 Minuten lang mit 10 Gew.-% Alkali behandelt wurden, überlegene Fasern ergeben kann, die zur Herstellung innovativer Verbundmaterialien für leichte, schadstofffreie Anwendungen wie Instrumententafeln in Autos verwendet werden können.

Verbundwerkstoffe auf Naturfaserbasis sind umweltfreundlicher und können für verschiedene Produkte verwendet werden, darunter Autos, Luft- und Raumfahrt, Deckenpaneele, Verpackungen und mehr. Trotz der rasanten Zerstörung der Wälder weltweit steigt die Nachfrage nach Holzprodukten weiter. Im Bereich der umweltfreundlichen Technologie werden Anstrengungen unternommen, um Holzersatzstoffe zu entwickeln, bei denen Holzmaterialien mit einem Polymer gemischt werden, um ein kostengünstiges, leistungsstarkes und termitenresistentes Produkt zu schaffen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Referenzen herunterladen

Labor für Materialwissenschaften, Abteilung für Prothetik, Saveetha Dental College and Hospitals, SIMATS, Chennai, Tamilnadu, Indien

Raja Thandavamoorthy

Fakultät für Maschinenbau, Saveetha School of Engineering, SIMATS, Chennai, Tamilnadu, Indien

Yuvarajan Devarajan

Fakultät für Bauingenieurwesen, Universität Ambo, Ambo, Äthiopien

Subash Thanappan

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RT hatte die Idee zu dem Werk. YD hat die Experimente entworfen. ST überwachte die Studie.

Korrespondenz mit Raja Thandavamoorthy, Yuvarajan Devarajan oder Subash Thanappan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Thandavamoorthy, R., Devarajan, Y. & Thanappan, S. Analyse der Charakterisierung von mit NaOH behandelten natürlichen Zellulosefasern, die aus Banyan-Luftwurzeln gewonnen werden. Sci Rep 13, 12579 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39229-9

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Eingegangen: 13. Juni 2023

Angenommen: 21. Juli 2023

Veröffentlicht: 03. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39229-9

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