ヘンプコア強化複合材料の曲げ弾性率および繊維の固有曲げ弾性率に及ぼすNaOH処理の影響

Effect of NaOH Treatment on the Flexural Modulus of Hemp Core Reinforced Composites and on the Intrinsic Flexural Moduli of the Fibers.

• Ferran Serra-Parareda
• Francesc Xavier Espinach
• Maria Àngels Pelach
• José Alberto Méndez
• Fabiola Vilaseca
• Quim Tarrés

抄録

本論文では、複合材産業におけるヘンプコア廃棄物の利用の可能性について述べる。これらのリグノセルロース系残渣は、環境に優しく経済的に実行可能な複合材料を製造するために使用することができ、ヘンプ生産のバリューチェーン全体を改善することができる。この目的のために、ヘンプコア残渣を異なるＮａＯＨ濃度でアルカリ処理した後、機械的にデファイブした。ヘンプコア繊維をポリプロピレンと混合し、射出成形して試験片を得た。複合材料の曲げ弾性率に及ぼす水酸化ナトリウムの影響をマクロおよびミクロの力学的観点から検討した。その結果、複合材料中に麻芯繊維が存在することにより、曲げ弾性率が顕著に改善されることがわかった。補強材の含有量50wt%の場合，NaOHを5，7.5，10wt%で処理した繊維を含む複合材料では，それぞれ239%，250%，257%の増加が見られた。これらの結果は木材複合材と同程度であり，麻のコア残渣の可能性を示している．また，ヘンプコア繊維の固有曲げ弾性率をマイクロメカニカル解析により計算し，繊維の曲げ弾性率と繊維の引張弾性率の比を用いて計算した結果，ヘンプコア繊維を用いて得られた結果と一致した．その結果は、HirschやTsai-Paganoなどのモデルを用いて得られた結果と一致した。また、相の寄与を十分に理解するために、その他のミクロ力学的パラメータの研究も行った。繊維の固有の曲げ弾性率とヤング率の関係を調べたところ、特性の違いは応力分布と材料の異方性に起因していることがわかりました。

This paper describes the potential of using hemp core waste in the composite industry. These lignocellulosic residues can be used to produce environmentally friendly and economically viable composites and improve the overall value chain of hemp production. To this purpose, hemp core residues were alkaline treated at different NaOH concentrations and then mechanically defibrated. Hemp core fibers were mixed with polypropylene and injection molded to obtain testing specimens. The effect of sodium hydroxide on the flexural modulus of composites was studied from macro and micro mechanical viewpoints. Results showed remarkable improvements in the flexural modulus due to the presence of hemp core fibers in the composites. At a 50 wt % of reinforcement content, increments around 239%, 250% and 257% were obtained for composites containing fibers treated at a 5, 7.5 and 10 wt % of NaOH, respectively. These results were comparable to those of wood composites, displaying the potential of hemp core residues. The intrinsic flexural modulus of the hemp core fibers was computed by means of micromechanical analysis and was calculated using the ratios between a fiber flexural modulus factor and a fiber tensile modulus factor. The results agreed with those obtained by using models such as Hirsch and Tsai-Pagano. Other micromechanical parameters were studied to fully understand the contribution of the phases. The relationship between the fibers' intrinsic flexural and Young's moduli was studied, and the differences between properties were attributed to stress distribution and materials' anisotropy.