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.

Для получения биополимера хитина, природного полисахарида, перспективно использование биомассы высших грибов. Хитин в клеточной стенке грибов находится в форме хитин-глюканового комплекса (ХГК) и трудно выделяется из сырья. Выделенный ХГК – перспективный структурный наполнитель биокомпозиционных материалов и носитель функциональных биоактивных компонентов. Традиционное сырье для получения ХГК – панцири ракообразных – имеет ограничение по воспроизводимости сырья. В связи с этим актуально изучение возможности использования биомассы высших грибов для выделения ХГК. Предметом экспериментального исследования выступили плодовые тела опенка осеннего Armillaria mellea, полученные биотехнологическим способом из непищевого растительного сырья. Цель – изучение возможности выделения ХГК из биомассы грибов на экстракционной установке. Использовались визуальный осмотр, термогравиметрический анализ (ТГА) и дифференциальный термический анализ (ДТА). Применили оригинальную экстракционную установку с механическим перемешиванием. Сырьё подсушивалось и измельчалось. Проводилась экстракция – щелочное депротеинирование, кислотная деминерализация, а также обезвоживание с промежуточным межстадийным фильтрованием и промывкой в дистиллированной воде. Полученные образцы ХГК – сухие, сыпучие, мелкодисперсные, светло-кремового цвета. Выход продукта после обработки составил 23%. Испытывались образцы путём ТГА, ДТА в синхронном термоанализаторе DTG-60 (Shimadzu Corporation, Киото, Япония), используя алюминиевые тигли, навеску от 1 до 3 мг, атмосферу азота, расход 40 мл/мин, скорость нагрева 100С/мин, предельная температура 5000С. Установлено, что термическое разложение образцов трёхстадийное: 1) при температуре до 890С испаряется вода; 2) до температуры 3900С происходит разложение термолабильных компонентов ХГК, наблюдается резкий пик при температуре 3210С; 3) при температуре свыше 4000С наблюдается плавное разложение наиболее термостойких компонентов. Содержание воды – 7,9% (отн.), убыль массы на второй стадии – 78,7%, на третьей стадии – 3,3%, твердый остаток – 10,1%. Из полученного продукта путём гетерогенного щелочного деацетилирования получены образцы хитозан-глюканового комплекса (ХтзГК). Результаты исследования могут быть использованы: 1) для выделения ХГК и ХтзГК из биомассы грибов, пригодных для получения биокомпозиционных материалов, например, основы раневых повязок; 2) для определения верхнего температурного предела термической стерилизации продукта, обработка может проводится при температуре до 1600С; 3) для разработки интегрированной технологии комплексной переработки растительного сырья. To obtain a biopolymer of chitin, a natural polysaccharide, the use of biomass of higher fungi is promising. Chitin in the cell wall of fungi is in the form of chitin-glucan complex (ChGC) and is difficult to isolate from raw materials. The isolated ChGCis a promising structural filler of biocompositional materials and a carrier of functional bioactive components. The traditional raw material for the production of HCG – crustacean shells – has a limitation on the reproducibility of raw materials. In this regard, it is important to study the possibility of using the biomass of higher fungi for the isolation of HCG. The subject of the experimental study was the fruit bodies of the autumn Armillaria mellea, obtained by a biotechnological method from non-edible plant raw materials. The aim is to study the possibility of isolation of HCG from the biomass of fungi on an extraction plant. Visual inspection, thermogravimetric analysis (TGA) and differential thermal analysis (DTA) were used. An original extraction plant with mechanical mixing was used. The raw materials were dried and crushed. Extraction was carried out – alkaline deproteination, acid demineralization and dehydration with intermediate interstage filtration and washing in distilled water. The obtained samples of ChGCare dry, loose, finely dispersed, light cream color. The yield of the product after processing was 23%. Samples were tested by TGA, DTA in a synchronous thermal analyzer DTG-60 (Shimadzu Corporation, Kyoto, Japan), using aluminum crucibles, a weight from 1 to 3 mg, nitrogen atmosphere, flow rate 40 ml/min, heating speed 100C/min, maximum temperature 5000C. It is established that the thermal decomposition of samples is three-stage: 1) at a temperature of up to 890C, water evaporates; 2) up to a temperature of 3900C, the decomposition of thermolabile components of ChGCoccurs, a sharp peak is observed at a temperature of 3210C; 3) at a temperature above 4000C, a smooth decomposition of the most heat-resistant components is observed. Water content – 7.9% (rel.), weight loss in the second stage – 78.7%, in the third stage – 3.3%, solid residue – 10.1%. Samples of the chitosan-glucan complex (ChtzGC) were obtained from the resulting product by heterogeneous alkaline deacetylation. The results of the study can be used: 1) to isolate ChGC and ChtzGC) hCG from the biomass of fungi suitable for the production of biocompositional materials, for example, the basis of wound dressings; 2) to determine the upper temperature limit of thermal sterilization of the product, processing can be carried out at temperatures up to 1600C; 3) to develop an integrated technology for complex processing of plant raw materials.

При использовании лубяных культур для получения растительных волокон образуется большое количество неволокнистой фракции – костры. Лубяные волокна могут быть применены в качестве армирующего наполнителя полимерных композиционных материалов (ПКМ). Костра может быть использована для получения биочара – твёрдого остатка процесса пиролиза. В связи с этим актуально изучение поведения волокон и костры при тепловом воздействии. Предметом экспериментального исследования выступили стебли крапивы двудомной (Urtica dioica L.)весеннего сбора. Цель – изучение процесса термического разложения лубяных волокон и костры. Использовались термогравиметрический анализ (ТГА) и дифференциальный термический анализ (ДТА). Растительное сырьё разрезалось на фрагменты длиной от 120 до 150 мм. Проводилась гидротермическая предварительная обработка – варка в горячей воде в жидком состоянии под повышенным давлением и промывка горячей водой. Температура варки 140 0С, длительность – один час, модуль варки 1:10 (твёрдое : жидкость, масс.). Выход продукта после обработки 85,3%. Продукт механическим реттингом разделялся на лубяные волокна и частицы костры, в количестве 8,4% и 91,6%, масс., соответственно. Испытывались образцы путём ТГА, ДТА в синхронном термоанализаторе DTG-60 (Shimadzu Corporation, Киото, Япония), используя алюминиевые тигли, навеску3 мг, атмосферу азота, расход 40 мл/мин, скорость нагрева 100С/мин, предельная температура 6000С. Установлено, что термическое разложение образцов трёхстадийное: 1) при температуре до 1150С и 1000С, соответственно, для лубяных волокон и костры, испаряется вода; 2) до температуры 3900С происходит разложение термолабильных компонентов растительного сырья, наблюдается резкий пик при температуре 3630С и 3720С, соответственно, для лубяных волокон и костры; 3) при температуре свыше 4000С наблюдается плавное разложение наиболее термостойких компонентов. Эндотермические эффекты для костры на первой и второй стадиях в два и полтора раза, соответственно, превышают эффекты для лубяных волокон. Содержание воды – 2,7% и 5,2%, убыль массы на второй стадии – 72,2% и 68,4%, на третьей стадии – 6,1% и 7,6%, твердый остаток – 19,0% и 18,8%, соответственно, для лубяных волокон и костры. Результаты могут быть использованы: 1) для определения предельных температур обработки лубяных волокон крапивы двудомной, как армирующего наполнителя ПКМ, температура не должна превышать 2050С; 2) для оценки пригодности костры крапивы двудомной для получения биочара – возможно проводить медленный пиролиз при температуре до 6000С, с выходом ≈19%; 3) для разработки перспективной комплексной технологии переработки растительного сырья. When using bast crops to obtain plant fibers, a large amount of a non-fibrous fraction is formed – bonfires. Bast fibers can be used as a reinforcing filler of polymer composite materials (PCM). The bonfire can be used to produce biochar, a solid residue of the pyrolysis process. In this regard, it is important to study the behavior of fibers and bonfires under thermal exposure. The stems of the dioecious nettle (Urtica dioica L.) of the spring harvest were the subject of an experimental study. The purpose is to study the process of thermal decomposition of bast fibers and bonfires. Thermogravimetric analysis (TGA) and differential thermal analysis (DTA) were used. Vegetable raw materials were cut into fragments from 120 to 150 mm long. Hydrothermal pretreatment was carried out – boiling in liquid hot water and rinsing with hot water. Cooking temperature 140 0C, duration - one hour, cooking module 1:10 (solid : liquid, mass.). The yield of the product after processing is 85.3%. The product was mechanically retted into bast fibers and bonfire particles, in the amount of 8.4% and 91.6%, by weight, respectively. Samples were tested by TGA, DTA in a synchronous thermal analyzer DTG-60 (Shimadzu Corporation, Kyoto, Japan), using aluminum crucibles, a weight of 3 mg, a nitrogen atmosphere, a flow rate of 40 ml/min, a heating rate of 100C/min, a maximum temperature of 6000C. It is established that the thermal decomposition of samples is three-stage: 1) at temperatures up to 1150C and 1000C, respectively, for bast fibers and bonfires, water evaporates; 2) up to a temperature of 3900C, the decomposition of thermolabile components of vegetable raw materials occurs, a sharp peak is observed at temperatures of 3630C and 3720C, respectively, for bast fibers and bonfires; 3) at temperatures above 4000C, a smooth decomposition of the most heat-resistant components is observed. The endothermic effects for bonfires in the first and second stages are two and one and a half times higher, respectively, than the effects for bast fibers. The water content is 2.7% and 5.2%, the weight loss in the second stage is 72.2% and 68.4%, in the third stage – 6.1% and 7.6%, the solid residue is 19.0% and 18.8%, respectively, for bast fibers and bonfires. The results can be used: 1) to determine the maximum processing temperatures of bast fibers of nettle dioecious, as a reinforcing filler of PCM, the temperature should not exceed 2050C; 2) to assess the suitability of nettle dioecious bonfires for biochar production, it is possible to carry out slow pyrolysis at temperatures up to 6000C, with an output of ≈19%; 3) to develop a promising integrated technology for processing plant raw materials.

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.