Рассмотрены проблемы утилизации и вторичной переработки полимеров и композитов, одним из путей решения которой может быть создание биоразлагаемых материалов на основе растительного сырья. Проведены теоретические и экспериментальные исследования применения растительных волокон в композиционных материалах. Предложено использовать классические методы для исследований свойств растительных волокон и классические теории для расчета и конструирования структуры композитов на растительном сырье. Проведены расчеты критической длины волокон по значениям модуля упругости и прочности растительных лубяных волокон льна, крапивы и конопли, определенным экспериментально. Получены критические значения длины волокон для крапивы – 172 мкм, для конопли – 205 мкм, для льна – 273 мкм. Отмечено, что чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем больше их критическая длина. Это может объясняться большой анизотропией свойств связующего и армирующего наполнителя. Теория монолитности предполагает равенство значений сдвиговых напряжений на границе волокно-матрица и прочности волокон. Соответственно, чем ближе свойства волокон и матрицы, тем меньшая критическая длина необходима для создания достаточной адгезии волокна к матрице. Рассмотрены примеры растительных волокон различной длины и композиты на их основе: наиболее длинных – лубяных технических волокон льна, крапивы и конопли, средних – волокон мискантуса и костры льна, и коротких – оболочек овса. The problems of utilization and recycling of polymers and composites are considered. One of the solutions may be the creation of biodegradable materials based on plant materials. Here, we theoretically and experimentally explored if plant-based fibers could be used in composite materials. We proposed that classical methods be employed to characterize plant-based fibers and that classical theories be used to predict and construct the structure of plant-based composites. The critical length of the fibers was estimated against the experimentally measured elastic modulus and strength of plant-based bast fibers of flax, nettle and hemp. The resultant critical length values were 172 µm for nettle, 205 µm for hemp and 273 µm for flax. It was noted that the higher the fiber strength and elastic modulus, the greater the fiber critical length. It can be explained by the binder and the reinforcing filler having highly anisotropic properties. The monolithicity theory implies equality between the shear stresses at the fiber–matrix interface and the fiber strength. Hence, the more similar the properties of the fibers and matrix, the shorter critical length is required to create adequate adhesion between the fiber and the matrix. Examples of plant-based fivers differing in length and composites based thereon were considered: the longest bast fibers of flax, nettle and hemp, medium-length fibers of Miscanthus and flax shover, and the shortest fibers of oat hulls.

Современные мировые тенденции развития полимерных композиционных материалов направлены на уменьшение негативного воздействия на окружающую среду при изготовлении, эксплуатации и утилизации таких материалов. В этом плане наиболее перспективными являются биокомпозиты, армированные растительными волокнами. Благодаря экологичности растительных волокон, их малому весу в сочетании с высокими механическими свойствами и биоразлагаемостью, композиты на их основе уже находят применение в автомобилестроении, строительстве и других отраслях промышленности. В работе исследованы образцы крапивы двудомной, собранные в Республике Алтай в августе 2022 года. Целью данной работы являлось выделение и исследование структуры технических лубяных волокон крапивы в продольном и поперечном направлении, определение геометрических и физико-механических характеристик выделенных волокон. Структуру поперечного среза стебля крапивы и выделенных лубяных волокон исследовали с помощью электронного микроскопа. На фотоснимках стебля четко выделяются три зоны: наружный покрывной слой, лубяной слой, сосудистый слой. Лубяной слой крапивы содержит элементарные волокна овальной формы неодинаковой толщины с поперечным размером 10-30 мкм. Для выделения лубяных волокон провели химическую варку снятых с зеленого стебля оболочек крапивы в 2 %-ном водном растворе кальцинированной соды в течение 18 часов. Упруго-прочностные характеристики выделенных технических волокон толщиной 60-290 мкм определяли при растяжении на приборе ТМА-60. Найденные значения прочности и модуля Юнга увеличиваются с уменьшением поперечного сечения технических волокон и достигают 306,7 МПа и 12,67 ГПа, соответственно, при толщине образца 60 мкм. Полученные результаты экспериментальных исследований согласуются с известными литературными данными по свойствам волокон лубяных растений – лен, конопля, крапива двудомная и рами, которые уже находят применение в композиционных материалах. Благодаря достаточной длине выделенных лубяных технических волокон крапивы, на их основе могут быть изготовлены ориентированные полимерные композиционные материалы, например методом мокрой намотки. Modern world trends in the development of polymer composite materials are aimed at reducing the negative impact on the environment during the manufacture, operation and disposal of such materials. In this regard, biocomposites reinforced with plant fibers are the most promising. Due to the environmental friendliness of plant fibers, their low weight, combined with high mechanical properties and biodegradability, composites based on them are already being used in the automotive industry, construction and other industries. Herein, we examined urtica dioica samples harvested in the Republic of Altai, August 2022. This study aimed to isolate industrial urtica dioica fibers and test them lengthwise and crosswise, and measure the geometry and physical mechanics of the isolated fibers. The structures of the cross-sectional urtica dioica stem and of the isolated bast fibers were examined by scanning electron microscopy. The SEM images of the stem clearly showed the three regions: the outer layer, bast layer, and vascular layer. The bast layer of urtica dioica contains unequally-thick, oval-shaped elementary fibers of 10-30 μm in cross-section. The fibers were isolated by chemical digesting the green stem shell ripped of urtica dioica in a 2% calcined soda for 18 h. The elastic-strength characteristics of the isolated industrial fibers of 60–290 μm thick were tested to tension on a TMA-60 device. The resultant strength and the elastic modulus were increasing with a decrease in the cross-section of the industrial fibers, achieving 306.7 MPa and 12.67 GPa, respectively, with the sample thickness being 60 μm. The obtained results of experimental studies are consistent with the known literature data on the properties of fibers of bast plants - flax, hemp, stinging nettle and ramie, which are already being used in composite materials. Due to the sufficient length of the isolated bast technical fibers of nettle, oriented polymer composite materials can be made on their basis, for example, by wet winding.

Рассмотрена лубяная техническая культура конопля, сегмент по выращиванию и переработке которой в России развивается быстрыми темпами. На примере мировых тенденций показаны возможности и перспективы использования лубяных волокон конопли для биоразлагаемых композитов на растительной основе. Исследованы режимы выделения лубяных волокон методом химического реттинга. С помощью химического анализа определено содержание целлюлозы, лигнина, пентозанов в выделенных волокнах исходном растительном сырье. Методом ТМА измерены значения прочности 177-548 МПа, деформации при разрушении 0,7-2,5 % и модуля Юнга 13,2-43,5 ГПа, при толщине технических волокон от 50 до 140 мкм. Полученные результаты согласуются с известными данными других авторов и находятся на уровне свойств лубяных волокон культур – крапивы, льна, применяемых в композиционных материалах. Выделенные технические волокна конопли имеют достаточно высокие упруго-прочностные характеристики, а их длина 200-400 мм позволяет создавать армированные композитные материалы на их основе. The bast technical crop hemp is considered, the segment for the cultivation and processing of which is developing rapidly in Russia. On the example of global trends, the possibilities and prospects of using hemp bast fibers for biodegradable plant-based composites are shown. The modes of isolation of bast fibers by chemical retting were investigated. Chemical analysis was used to determine the content of cellulose, lignin, and pentosans in the isolated fibers of the original plant material. The TMA method measured strength values of 177-548 MPa, deformation at fracture of 0.7-2.5% and Young's modulus of 13.2-43.5 GPa, with a thickness of technical fibers from 50 to 140 microns. The results obtained agree with the known data of other authors and are at the level of properties of bast fibers of crops - corn, flax, used in composite materials. The selected technical hemp fibers have sufficiently high elastic-strength characteristics, and their length of 200-400 mm makes it possible to create reinforced composite materials based on them.