Evaluation of the Effect of Extraction Methodology and Design on the Mechanical Properties of bio-composites.

Abstract

This study evaluates the impact of different extraction methods on the properties of Algerian yucca fibers and their incorporation into bio-composites, aiming to develop eco-friendly materials. Four extraction methods were compared: mechanical extraction, water retting, the traditional method, and chemical extractions with NaOH (3 %, 5 %, and 10 %). A complete characterization of the fibers and corresponding composites was conducted to assess structural, mechanical, and physicochemical features. Water-retted yucca fibers exhibited the highest tensile strength (467 MPa) and Young’s modulus (14 GPa). Similarly, fibers extracted via 3 % NaOH showed excellent performance (456 MPa, 16.78 GPa). In contrast, 10 % NaOH severely degraded fiber structure, lowering tensile strength to 235 MPa and crystallinity to 61.75 %. Furthermore, two composite processing techniques were explored: 3D printing (FFF) using PLA-yucca filaments, and molding casting with epoxy-yucca powder. Mechanical tests showed that PLA-T1 (with traditionally extracted fibers) exhibited the best performance (61.06 MPa tensile strength, 488.4 MPa flexural modulus). SEM revealed strong fiber/matrix adhesion. FTIR, TGA, and XRD analyses confirmed the influence of extraction method on thermal and chemical properties. Lastly, fatigue and Charpy impact tests demonstrated the composites' durability and toughness.

تتناول هذه الدراسة تأثير طرق الاستخلاص المختلفة على خصائص ألياف الطبيعية ودمجها في المواد الحيوية المركبة، بهدف تطوير مواد صديقة للبيئة. تم مقارنة أربع طرق للاستخلاص: الاستخلاص الميكانيكي، والبيولوجي، والطريقة التقليدية، والكيميائية بهيدروكسيد الصوديوم (NaOH) بنسب تركيز 3%، 5%، و10%. تم إجراء توصيف شامل للألياف والمواد المركبة المرتبطة بها، من خلال تقييم الخصائص الميكانيكية والبنيوية والفيزيائية-الكيميائية. أظهرت الألياف الناتجة عن التعطين بالماء أفضل أداء ميكانيكي (467 ميغاباسكال، و14 غيغاباسكال)، تليها الألياف المستخلصة باستخدام NaOH بتركيز 3% (456 ميغاباسكال، و16.78 غيغاباسكال). في المقابل، أدى استخدام 10% من NaOH إلى تدهور كبير في بنية الألياف، مما خفّض مقاومة الشد إلى 235 ميغاباسكال ودرجة التبلور إلى 61.75%. تم اختبار طريقتين لتصنيع المواد المركبة: الطباعة ثلاثية الأبعاد (FFF) باستخدام خيوط PLA واليوكا، والقولبة الصبّية باستخدام مصفوفة إيبوكسي ومسحوق اليوكا. سُجلت أفضل النتائج الميكانيكية لدى العينة PLA-T1