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

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 با رویکرد باکس-بهنکن 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 تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی 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. بهینه‌سازی، با هدف افزایش استحکام خمشی، 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 28/5 مگاپاسکال، 92/29 ژول بر متر و 50 مگاپاسکال است. در پایان حالت بهینه نشان داد، وزن نمونه بایوکامپوزیت را می‌توان تا 32 درصد کاهش داد.

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

this article examines the mechanical properties of bio-composites reinforced with kenaf fibers and nano-graphene within a polypropylene matrix by adding a compatibilizer. the response surface methodology with the box-behnken approach was used to investigate and present a mathematical model for the behavior of the bio-composite considering the parameters of fiber weight percentage, nano-graphene weight percentage, and compatibilizer weight percentage. the behavior of the samples was analyzed under tensile, bending, and impact tests, and the results were justified using fe-sem. the fracture surface of the samples indicated that the main mechanism for improving the introduced bio-composite behavior is fiber fracture and fiber pull-out. multi-objective optimization was carried out using two meta-heuristic methods and the desirability function. the optimization aimed to increase the flexural, impact, and tensile strength while simultaneously reducing the weight of the samples, with the weight percentages of the fibers, nanoparticles, and compatibilizer defined as the problem variables. the results showed that the bio-composite sample with the optimal design parameters has three mechanical properties, including tensile strength, impact strength, and flexural strength, equal to 28.5mpa, 92.29j/m, and 50mpa, respectively. finally, the optimal state showed that the weight of the bio-composite sample could be reduced by up to 32%.