Характеристики и сравнительный анализ коноплеволокна и стекловолокна

Различные возобновляемые ресурсы обычно классифицируют в зависимости от их происхождения: растительные, животные или минеральные. Растительные волокна содержат целлюлозу в качестве основного структурного компонента, а также гемицеллюлозу, лигнин (аморфный), пектин, воск и золу в небольших количествах.

Волокна, содержащиеся в лубе растения конопли, имеют удельную жесткость, сравнимую с жесткостью стекловолокна. Поперечное сечение конопляного волокна имеет неправильную форму, которая не является постоянной по его длине. Флоэма содержит первичные лубяные волокна, которые состоят из пучка волокон, проходящего по всей длине стебля растения и состоящего из приблизительных волокон.

Обзор растительного промышленного сырья

Промышленная конопля (Cannabis sativa) — это недорогое и доступное лубяное натуральное волокно. В Европе и Канаде можно выращивать конкретный Cannabis sativa, и он должен содержать не более 0,2% (Европа) или 0,3% (Канада) тетрагидроканнабинола (THC). Производство волокна из каннабис ведется на протяжении многих веков для конечного использования, начиная от тканей и бумаги (конопляная бумага использовалась в первых экземплярах Библии) до веревок и парусов. 

Конопля произрастает в Индии и Персии, хотя культивируется почти во всех странах с умеренным и тропическим климатом. Россия — крупнейший производитель волокна, на долю которого приходится около 33% годового мирового производства. Другие страны, такие как Франция, Германия, Италия, Югославия, Чили, Китай, Япония и Перу, также производят значительные количества волокна. 

Конопляное волокно является одним из самых прочных и жестких доступных натуральных волокон и, следовательно, имеет большой потенциал для использования в качестве армирующих материалов в композитных материалах. Техническая марихуана — это высокое однолетнее культурное растение, которое обычно готово к уборке через два-три месяца после посева. 

Зависимости физических качеств от химического состава

Угол микрофибриллы — это угол, который составляют микрофибриллы по отношению к оси волокна. Как правило, натуральные волокна с более высокой прочностью и модулем Юнга имеют более высокое содержание целлюлозы, большую длину ячеек и более низкий угол микрофибриллярных волокон, как, например, в случае волокна конопли. 

Деградация натуральных волокон зависит от индивидуального химического состава; лигнин в основном отвечает за УФ-излучение и разложение при пожаре, тогда как гемицеллюлозы ответственны за биологическое разложение, термическое разложение и высокое влагопоглощение. 

Физико-механические свойства натуральных волокон и основного типа стекловолокна (Е-стекло)

Видно, что натуральные волокна конопли имеют некоторые преимущества по сравнению со стекловолокном, такие как низкая плотность и более высокая удельная жесткость. Волокна льна, пеньки и рами имеют самый высокий модуль Юнга и удельную жесткость, хотя их прочность ниже, чем у стекловолокна. 

В попытке достичь средней производительности, подобной E-стеклу, разумным выбором может быть использование марихуаны, которая прочнее, чем рами, и все же жестче, чем E-стекло.

Механические свойства натуральных волокон зависят от их физических, химических и морфологических свойств, а также от условий выращивания, времени сбора урожая, метода экстракции, обработки и процедур хранения. Сообщается, что прочность волокон каннабис снизилась на 15% в течение пяти дней после оптимального времени сбора урожая, которое составило 114 дней, со средней прочностью на разрыв 857 МПа и модулем Юнга 58 ГПа. 

Расчет свойств коноплеволокна

Как правило, свойства одиночного волокна рассчитываются на основе полного поперечного сечения, несмотря на наличие центрального полого просвета, который занимает значительную часть площади поперечного сечения. Доля площади просвета для конопли составила около 41%, что указывает на истинную прочность волокна 1308 МПа вместо прочности 778 МПа, полученной без учета просвета.