Sustainable erosion-resistant composites: Role of alkali treatment in pine fibre reinforcement Nachhaltige erosionsbeständige Verbundwerkstoffe: Rolle der Alkalibehandlung bei der Verstärkung von Kiefernfasern

Abstract

Epoxy composites reinforced with pine fibres were fabricated by hand lay-up at fibre loadings of 4 wt.%, 7 wt.%, 10 wt.%, and 13 wt.%. The fibres were sodium hydroxide (NaOH) treated to enhance interfacial adhesion, and the composites evaluated for mechanical and erosion wear performance. At 10 wt.%, hardness, tensile, flexural, impact, and interlaminar shear strength improved by 18.6 %, 70.5 %, 100.4 %, 89.5 %, and 270.8 %, respectively, over the 4 wt.% composite. Air-jet erosion was studied using quartz sand (≤75 μm) under steady-state conditions. Peak erosion occurred at 60°–75° impingement angles, indicating semi-ductile behaviour; the erosion rate decreased with fibre content up to 10 wt.%. A Taguchi L16-ANOVA identified fibre content as the most influential parameter, followed by impact velocity, erodent feed rate, and impingement angle, while scanning electron microscopy (SEM) analysis revealed micro-cracking, cutting, delamination, and plastic deformation. The novelty of this work lies in the combined use of NaOH-treated Himalayan pine (Pinus roxburghii) needle fibre, a reinforcement seldom examined in erosion studies, together with integated mechanical, dynamic mechanical, and erosion characterisation across fibre loadings, and a Taguchi L16-ANOVA framework that ranks the factors governing erosive wear and identifies 10 wt.% as the optimum loading.

Epoxidharz-Verbundwerkstoffe, verstärkt mit Kiefernfasern, wurden im Handlaminierverfahren mit Faseranteilen von 4 Gew.-%, 7 Gew.-%, 10 Gew.-% und 13 Gew.-% hergestellt. Die Fasern wurden mit Natriumhydroxid (NaOH) behandelt, um die Grenzflächenhaftung zu verbessern. Anschließend wurden die Verbundwerkstoffe hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und ihres Verschleißverhaltens untersucht. Bei einem Faseranteil von 10 Gew.-% verbesserten sich Härte, Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Schlagfestigkeit und Zwischenlagenscherfestigkeit im Vergleich zum Verbundwerkstoff mit 4 Gew.-% um 18,6 %, 70,5 %, 100,4 %, 89,5 % bzw. 270,8 %. Die Luftstrahlerosion wurde mit Quarzsand (≤ 75 μm) unter stationären Bedingungen untersucht. Die maximale Erosion trat bei Auftreffwinkeln von 60°–75° auf, was auf ein semiduktiles Verhalten hindeutet. Die Erosionsrate sank mit steigendem Faseranteil bis zu 10 Gew.-%, bevor sie wieder leicht anstieg. Ein Taguchi-L16-Versuchsplan mit ANOVA identifizierte den Fasergehalt als einflussreichsten Parameter, gefolgt von Aufprallgeschwindigkeit, Erosionsfördermenge und Aufprallwinkel. Die -Analyse zeigte Mikrorisse, Schnitte, Delaminationen und plastische Verformung. Die Neuheit dieser Arbeit liegt in der kombinierten Verwendung von mit NaOH behandelten Nadelfasern der Himalaya-Kiefer (Pinus roxburghii), einem in Erosionsstudien selten untersuchten Verstärkungsmaterial, zusammen mit einer integrierten mechanischen, dynamisch-mechanischen und Luftstrahl-Erosionscharakterisierung bei vier Faserbeladungen. Ein Taguchi-L16-ANOVA-Framework ordnet die Faktoren, die den erosiven Verschleiß bestimmen, und identifiziert 10 Gew.-% als optimale Beladung.