تحلیل و بهینه سازی خواص مکانیکی بایوکامپوزیت های تقویت شده با الیاف کناف و نانو ذرات گرافن در حضور سازگارکننده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مکانیک، دانشکده مکانیک، دانشگاه ولایت ایرانشهر، ایرانشهر، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

چکیده

در این مقاله به بررسی خواص مکانیکی در بایوکامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف طبیعی کناف/ نانوگرافن در زمینه پلی پروپیلن با اضافه کردن سازگار کننده پرداخته شده است. از روش آماری سطح پاسخ (RSM) با رویکرد باکس بهنکن (BBD) جهت بررسی و ارائه مدل ریاضی برای رفتار بایوکامپوزیت با توجه به پارامترهای درصد وزنی الیاف کناف، درصد وزنی نانوگرافن و درصد وزنی سازگارکننده استفاده شده است. رفتار نمونه‌ها تحت آزمون‌های کشش، خمش و ضربه تحلیل گردید و نتایج با استفاده از تصاویرمیکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی توجیه شد. سطح شکست نمونه‌ها نشان داد مکانیزم اصلی در بهبود رفتار بایوکامپوزیت معرفی شده، شکست الیاف و جدایش به همراه بیرون کشیدگی الیاف از ماده زمینه است. فرایند بهینه‌سازی چند هدفه با دو روش فراابتکاری و تابع مطلوبیت انجام گردید و نمودار پرتو با توجه به اهداف طراحی ترسیم شد. بهینه‌سازی، با هدف افزایش استحکام خمش، ضربه و کشش، و همزمان کاهش وزن نمونه‌ها انجام گردید و، درصد وزنی الیاف، نانو ذرات و سازگارکننده به عنوان متغییرهای مسئله تعریف گردیدند. نتایج نشان داد نمونه بایوکامپوزیت با درصد‌های بهینه پارامترهای طراحی، در سه خاصیت مکانیکی شامل، استحکام کششی، ضربه و خمشی به ترتیب برابر MPa 28.5، J/m 92.29 و MPa 50 است. در پایان حالت بهینه نشان داد، وزن نمونه بایوکامپوزیت را می‌توان تا 32 درصد کاهش داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Analysis and optimization of mechanical properties of biocomposites reinforced with kenaf fibers/graphene in the presence of compatibilizers

نویسندگان [English]

  • Hossein Taghipoor 1
  • Jaber Mirzaei 2
1 Department of Mechanical Engineering, Velayat University, Iranshahr, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
چکیده [English]

In this article, the mechanical properties of biocomposites reinforced with kenaf fibers/nanographene in the field of polypropylene with the addition of PP-G-MA compatibilizer have been investigated. Response surface method (RSM) with Box-Behnken Design (BBD) has been used to investigate and present a mathematical model for the behavior of biocomposite according to the parameters of weight percentage of Kenaf fibers, nanographene, and PP-G-MA. The behavior of the samples was analyzed under tensile, bending, and impact tests, and the results were confirmed using FE-SEM images. The failure surface of the samples showed that the main mechanism in improving the behavior of the introduced biocomposite is the failure of the fibers and their separation along with the stretching of the fibers from the base material. The multi-objective optimization process was performed using two methods: metaheuristic and utility function. Optimization was carried out to increase flexural strength, impact resistance, and tensile strength while simultaneously reducing the weight of the specimens. The weight percentages of fibers, nanoparticles, and compatibilizer were defined as the variables of the problem. The results showed that the values of the biocomposite sample in the optimal state for three mechanical properties including tensile, impact, and bending strength are 28.5 MPa, 92.29 J/m, and 50 MPa respectively. At the end of the optimal mode, it showed that the weight of the biocomposite can be reduced by 32%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • mechanical properties
  • Optimization
  • Design of experiment
  • compatibilizer
  • Natural fibers