انجمن علوم و صنایع چوب و کاغذ ایران مجله صنایع چوب و کاغذ ایران 2008-9066 16 3 2025 12 21 Fabrication of Bio-Based Banana Fiber-Cement Composite and Evaluating its Technical Characteristics ساخت کامپوزیت طبیعی الیاف موز- سیمان و ارزیابی مشخصه‌های فنی آن 437 455 732928 10.22034/ijwp.2025.2073399.1730 FA ابراهیم رضایی گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکدة منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران. پیام مرادپور دانشیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکدة منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران. حمید زارع حسین آبادی دانشیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکدة منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران. پیمان احمدی دانش‌آموخته دکتری گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکدة منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران. 0000-0001-7465-913X Journal Article 2025 08 02 Problem definition and objectives: Wood–cement composites, as a new generation of bio-based construction materials, combine desirable mechanical and environmental properties. However, their wider application has been constrained by incompatibility between the organic and inorganic phases, poor interfacial bonding, and limited dimensional stability. Meanwhile, agricultural residues such as banana fibers, owing to their high production volume, suitable cellulose content, considerable tensile strength, and renewable nature, represent a promising partial substitute for wood resources. In Iran, large-scale banana cultivation in Sistan and Baluchestan Province generates substantial fiber-rich residues, the valorization of which could both mitigate environmental impacts and promote the development of sustainable construction materials. Accordingly, this study aimed to investigate the effects of alkali treatment on banana fibers and determine their optimum incorporation level in wood–cement boards, focusing on the evaluation of physical, mechanical, and thermal properties. Methodology: The required fibers were extracted from the pseudostems of the banana plant (Musa sapientum) and used in both untreated and 5% sodium hydroxide solution forms. In order to investigate the effect of mixing percentage, fibers to cement weight ratios of 5 to 95 and 10 to 90 were used. Type II Portland cement was selected as the primary binder, and 10% MCP concrete binder was used relative to the amount of water used in preparing the cement mortar to enhance interfacial cohesion in the construction of the panels. Cement panels without banana fibers were selected as control samples.<span dir="RTL" style="font-family: 'Times New Roman',serif; mso-ascii-font-family: TimesNewRomanPS-BoldMT; mso-fareast-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: TimesNewRomanPS-BoldMT; color: black;"> The panels were fabricated via cold pressing and then test samples were prepared and evaluated in accordance with the standard to determine the technical properties of the panels, including: density, equilibrium moisture content, water absorption, and thickness swelling (after 2 and 24 hours of immersion in water), modulus of rupture, flexural modulus of elasticity, internal bonding, and fire resistance (ISO 11925-3). In order to investigate the effect of alkaline treatment on the chemical structure of banana fibers and their compatibility with cement, Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR) was used, as well as to investigate the microscopic structure of banana fiber-cement composite, measure fiber dimensions, examine the matrix of cement and fibers, and also to detect the effect of fiber treatment in banana fiber-cement panels, field emission scanning electron microscope (FESEM) was used.<span dir="RTL" style="font-family: 'Times New Roman',serif; mso-ascii-font-family: TimesNewRomanPS-BoldMT; mso-fareast-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: TimesNewRomanPS-BoldMT; color: black;"> Data were statistically analyzed using ANOVA and Duncan’s multiple range test at a 95% confidence level. Results: FTIR spectra and FESEM images revealed that alkali treatment removed extractives, waxes, and surface impurities, thereby increasing surface roughness and enhancing fiber activity for bonding with the cement matrix. Physically, the density of treated composites (particularly at 5% fiber content) increased to values close to the control, while equilibrium moisture content, water absorption, and thickness swelling decreased significantly. Mechanically, incorporating 5% treated fibers yielded the highest improvements in MOR (10.03 MPa) and MOE (1789 MPa) compared with the control, whereas untreated fibers or higher fiber loadings led to property reductions due to weak adhesion and increased porosity. Internal bonding strength (IB) was maximized in 5% treated fiber boards, reflecting improved compaction and interfacial cohesion. Fire tests showed that all samples exhibited zero flame duration and no molten drips; mass loss ranged from 0.52% in the control to 0.21% in boards with 10% untreated fibers. While alkali treatment enhanced mechanical performance, the partial removal of surface components slightly reduced thermal stability compared to raw fibers. Conclusion: The findings demonstrate that banana fibers, especially after alkali treatment and at an optimal content of 5%, can effectively improve the mechanical properties, dimensional stability, and interfacial compatibility of wood–cement composites. Furthermore, fire performance results indicated that despite the inherent combustibility of natural fibers, banana fiber–cement boards maintained safe and acceptable thermal behavior. Overall, alkali-treated banana fibers present a viable alternative to wood fibers in bio-based panel production and offer a sustainable pathway for agricultural waste utilization in green construction materials. بیان مساله و اهداف: کامپوزیت‌های چوب–سیمان به‌عنوان نسل نوین مصالح ساختمانی زیست‌پایه، ترکیبی از ویژگی‌های مکانیکی و زیست‌محیطی مطلوب را ارائه می‌دهند، اما ناسازگاری میان فاز آلی و معدنی، ضعف در چسبندگی بین سطحی و پایداری ابعادی، کاربرد آن‌ها را محدود کرده است. از سوی دیگر، ضایعات کشاورزی همچون الیاف موز به دلیل حجم تولید بالا، درصد سلولز مناسب، استحکام کششی قابل توجه و ماهیت تجدید پذیر، گزینه‌ای بالقوه برای جایگزینی بخشی از منابع چوبی محسوب می‌شوند. در ایران نیز با توجه به تولید گسترده موز در استان سیستان و بلوچستان و حجم بالای ضایعات، بهره‌برداری از این منابع می‌تواند علاوه بر کاهش آثار زیست‌محیطی، مسیر توسعه مصالح ساختمانی پایدار را هموار سازد. بر همین اساس، پژوهش حاضر با هدف بررسی تأثیر تیمار قلیایی الیاف موز و تعیین درصد بهینه آن در ساخت تخته‌های چوب–سیمان، به ارزیابی خواص فیزیکی، مکانیکی و حرارتی این کامپوزیت‌ها پرداخته است. مواد و روشها: الیاف مورد نیاز از ساقه‌های کاذب گیاه موز (Musa sapientum) استخراج و به دو صورت خام و تیمار شده با محلول هیدروکسید سدیم ۵ درصد به کار گرفته شدند. جهت بررسی اثر درصد اختلاط، نسبت‌های وزنی 5 به 95 و 10 به 90 الیاف به سیمان مورد استفاده قرار گرفت. سیمان پرتلند نوع II به‌عنوان ماتریس معدنی اصلی انتخاب شد و از 10 درصد چسب بتن MCP نسبت به مقدار آب مورد استفاده در تهیه ملات سیمان برای بهبود پیوستگی در ساخت پانلها بهره گرفته شد. پانل‌های سیمانی فاقد الیاف موز به عنوان نمونه شاهد انتخاب شدند. پانل‌ها با استفاده از پرس سرد ساخته شده و سپس نمونههای آزمونی جهت تعیین خواص فنی پانلها شامل: دانسیته، رطوبت تعادل، جذب آب و واکشیدگی ضخامت (بعد از 2 و 24 ساعت غوطهوری در آب)، مدول گسیختگی، مدول الاستیسیته خمشی، چسبندگی داخلی و مقاومت به آتش (ISO 925-3)، مطابق با استاندارد تهیه و مورد ارزیابی قرار گرفتند. جهت بررسی تأثیر تیمار قلیایی بر ساختار شیمیایی الیاف موز و سازگاری آن‌ها با سیمان از طیف‌سنجی مادون‌قرمز (FTIR) و همچنین برای بررسی ساختار میکروسکوپی کامپوزیت الیاف موز-سیمان، اندازهگیری ابعاد الیاف، بررسی ماتریس سیمان و الیاف و همچنین برای تشخیص اثر تیمار الیاف در پانل‌های الیاف موز- سیمان، از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) استفاده شد. داده‌ها با استفاده از آزمون ANOVA و آزمون دانکن در سطح اطمینان 95 درصد تحلیل شدند. نتایج: بررسی طیف FTIR و تصاویر FESEM نشان داد که تیمار قلیایی موجب حذف ناخالصی‌ها، مواد استخراجی و موم‌های سطحی شده، زبری و سطح فعال الیاف را افزایش داد و بدین ترتیب، پیوند شیمیایی و مکانیکی با ماتریس سیمانی تقویت شد. نتایج فیزیکی نشان داد که دانسیته نمونه‌های تیمار شده (به‌ویژه در سطح ۵ درصد الیاف) افزایش یافت و به مقادیر نزدیک نمونه شاهد رسید، در حالی که رطوبت تعادل، جذب آب و واکشیدگی ضخامت کاهش معنی‌داری پیدا کردند. در آزمون‌های مکانیکی، افزودن ۵ درصد الیاف تیمارشده موجب افزایش چشمگیر مدول گسیختگی (MPa 03/ 10) و مدول الاستیسیته خمشی (MPa 1789) نسبت به نمونه شاهد شد، در حالی‌که استفاده از الیاف خام یا درصدهای بالاتر باعث کاهش این ویژگی به‌دلیل افت چسبندگی و افزایش تخلخل گردید. چسبندگی داخلی نیز در نمونه‌های ۵ درصد تیمار شده به حداکثر رسید که ناشی از افزایش تراکم و بهبود پیوند بین سطحی بود. آزمون مقاومت به آتش نشان داد که تمامی نمونه‌ها فاقد دوام شعله و گدازه بودند؛ همچنین بیشترین کاهش وزن مربوط به نمونه شاهد (52/0 درصد) و کمترین مقدار مربوط به نمونه‌های حاوی ۱۰ درصد الیاف خام (21/0 درصد) بود. اگرچه تیمار قلیایی اثر مثبت بر خواص مکانیکی داشت، اما به دلیل حذف نسبی مواد استخراجی، پایداری حرارتی در سطحی پایین‌تر از الیاف خام ثبت شد. نتیجه گیری: یافته‌ها نشان می‌دهد که استفاده از الیاف موز، به‌ویژه پس از تیمار قلیایی و در درصد بهینه ۵ درصد، می‌تواند خواص مکانیکی، پایداری ابعادی و سازگاری بین سطحی تخته‌های چوب–سیمان را بهبود دهد. همچنین نتایج آزمون مقاومت به آتش نشان داد که ترکیب الیاف موز با ماتریس سیمانی، حتی با وجود ماهیت آتش‌گیر الیاف، عملکرد حرارتی ایمن و قابل قبولی دارد؛ بنابراین، الیاف موز تیمار شده به‌عنوان جایگزینی مناسب برای الیاف چوبی در تولید پانل‌های زیست‌پایه مطرح بوده و می‌تواند در راستای توسعه مصالح ساختمانی پایدار و کاهش ضایعات کشاورزی، راهکار مؤثری باشد.

https://www.ijwp.ir/article_732928_5c21b1fe9498eb3811476efd33424408.pdf