ISOLATION AND TESTING OF URTICA DIOICA BAST FIBERS

Abstract

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.