Натуральное волокно - Natural fiber

Натуральные волокна или натуральные волокна (см. Различия в написании ) - это волокна , которые образуются в результате геологических процессов или из тел растений или животных . Их можно использовать в качестве компонента композиционных материалов, где ориентация волокон влияет на свойства. Натуральные волокна также можно склеивать в листы, чтобы сделать бумагу или войлок .

Самым ранним свидетельством того, что люди использовали волокна, является открытие шерсти и окрашенных волокон льна, найденных в доисторической пещере в Республике Грузия , датируемых 36 000 лет назад . Натуральные волокна можно использовать в высокотехнологичных приложениях, например, в композитных деталях для автомобилей. По сравнению с композитами, армированными стекловолокном , композиты с натуральными волокнами имеют такие преимущества, как меньшая плотность, лучшая теплоизоляция и меньшее раздражение кожи. Кроме того, в отличие от стекловолокна, натуральные волокна могут разрушаться бактериями, когда они больше не используются.

Натуральные волокна являются хорошими абсорбентами пота, и их можно найти в различных текстурах. Например, из хлопковых волокон, изготовленных из хлопкового растения, получаются легкие по весу ткани с мягкой текстурой, которые могут быть разных размеров и цветов. Люди, живущие в жарком и влажном климате , часто предпочитают одежду из натуральных волокон, таких как хлопок, одежде из синтетических волокон .

Растительные волокна

Категория типы
Семенное волокно Волокна, собранные из семян различных растений, известны как семенные волокна.
Листовое волокно Волокна, собранные из клеток листа, известны как волокна листа, например, банана, ананаса (PALF) и т. Д.
Лубяная клетчатка Лубяные волокна собираются из внешних слоев клеток стебля растения. Эти волокна используются для изготовления прочной пряжи, ткани, упаковки и бумаги. Некоторыми примерами являются волокна льна , джута , кенафа , промышленной конопли , рами , ротанга и виноградной лозы .
Фруктовая клетчатка Волокна, собранные из плодов растения, например, кокосового волокна ( кокосового волокна ).
Стеблевое волокно Волокна из стеблей растений, например солома пшеницы , риса , ячменя, бамбука и соломы .

Волокна животного происхождения

Волокна животных обычно содержат белки, такие как коллаген , кератин и фиброин ; примеры включают шелк , сухожилие , шерсть , кетгут , ангора , мохер и альпака .

  • Волосы животных (шерсть или волосы): Волокно или шерсть животных или волосатых млекопитающих. например, овечья шерсть, козий волос ( кашемир , мохер ), шерсть альпаки , конский волос и т. д.
  • Шелковое волокно: волокно, выделяемое железами насекомых (часто расположенными возле рта) во время приготовления коконов .

Хитин

Химическая структура хитиновых цепей

Хитин является вторым по распространенности природным полимером в мире, а коллаген - первым. Это «линейный полисахарид β- (1-4) -2-ацетамидо-2-дезокси-D-глюкозы». Хитин очень кристаллический и обычно состоит из цепей, организованных в β-лист. Из-за своей высокой кристалличности и химической структуры он не растворяется во многих растворителях. Он также малотоксичен для организма и инертен в кишечнике. Хитин также обладает антибактериальными свойствами.

Хитин образует кристаллы, из которых образуются фибриллы, окруженные белками. Эти фибриллы могут объединяться в более крупные волокна, которые вносят вклад в иерархическую структуру многих биологических материалов. Эти фибриллы могут образовывать случайно ориентированные сети, которые обеспечивают механическую прочность органического слоя в различных биологических материалах.

Хитин обеспечивает защиту и структурную поддержку многих живых организмов. Он составляет клеточные стенки грибов и дрожжей, раковины моллюсков, экзоскелеты насекомых и членистоногих . В оболочках и экзоскелетах хитиновые волокна вносят вклад в их иерархическую структуру.

В природе чистый хитин (100% ацетилирование ) не существует. Вместо этого он существует в виде сополимера с деацетилированным производным хитина, хитозаном. Когда ацетилированная композиция сополимера ацетилирована более чем на 50%, это хитин. Этот сополимер хитина и хитозана представляет собой статистический или блок-сополимер.

Хитозан

Химическая структура цепи хитозана

Хитозан - деацетилированное производное хитина. Когда ацетилированный состав сополимера составляет менее 50%, это хитозан. Хитозан представляет собой полукристаллический «полимер β- (1-4) -2-амино-2-дезокси-D-глюкозы». Одно различие между хитином и хитозаном заключается в том, что хитозан растворим в кислых водных растворах. Хитозан легче перерабатывает этот хитин, но он менее стабилен, потому что он более гидрофильный и имеет чувствительность к pH. Из-за простоты обработки хитозан используется в биомедицине.

Коллаген

Коллаген - это структурный белок, который часто называют «сталью биологических материалов». Существует несколько типов коллагена: тип I (включающий кожу, сухожилия и связки, сосудистую сеть и органы, а также зубы, кости и стенки артерий); Тип II (компонент хряща); Тип III (часто встречается в ретикулярных волокнах ); и другие. Коллаген имеет иерархическую структуру, образуя тройные спирали, фибриллы и волокна. Коллаген - это семейство белков, которые поддерживают и укрепляют многие ткани тела.

Кератин

Диаграмма, показывающая создание спиральной структуры альфа-кератинов.

Кератин - это структурный белок, расположенный на твердых поверхностях у многих позвоночных. Кератин имеет две формы, α-кератин и β-кератин , которые встречаются в разных классах хордовых. Условное обозначение для этих кератинов следует таковому для белковых структур: альфа- кератин имеет спиралевидную форму, а бета- кератин - пластинчатый. Альфа-кератин содержится в волосах, коже, ногтях, рогах и перьях млекопитающих , а бета-кератин содержится в чешуе, перьях и клювах птиц и рептилий . Две разные структуры кератина имеют разные механические свойства, как видно из их разных применений. Относительное расположение кератиновых фибрилл оказывает значительное влияние на механические свойства. В человеческих волосах нити альфа-кератина сильно выровнены, что дает предел прочности на разрыв примерно 200 МПа. Эта прочность на разрыв на порядок выше, чем у человеческих ногтей (20 МПа), потому что кератиновые нити человеческого волоса более выровнены.

Характеристики

По сравнению с синтетическими волокнами натуральные волокна, как правило, обладают меньшей жесткостью и прочностью.

Механические свойства при растяжении натуральных волокон
Материал Волокно Модуль упругости (ГПа) Прочность (МПа)
Сухожилие Коллаген 1,50 150
Кость Коллаген 20,0 160
Экзоскелет грязевого краба (мокрый) Хитин 0,48 30
Экзоскелет креветки (мокрый) Хитин 0,55 28 год
Бычье копыто Кератин 0,40 16
Шерсть Кератин 0,50 200

Свойства также ухудшаются с возрастом волокна. Молодые волокна имеют тенденцию быть более прочными и эластичными, чем более старые. Многие натуральные волокна обладают чувствительностью к скорости деформации из-за их вязкоупругой природы. Кость содержит коллаген и проявляет чувствительность к скорости деформации, поскольку жесткость увеличивается с увеличением скорости деформации, также известной как деформационное упрочнение . У паучьего шелка есть твердые и эластичные области, которые вместе способствуют его чувствительности к скорости деформации, они также заставляют шелк проявлять деформационное упрочнение. Свойства натуральных волокон также зависят от содержания влаги в них.

Зависимость от влажности

Присутствие воды играет решающую роль в механическом поведении натуральных волокон. Гидратированные биополимеры обычно обладают повышенной пластичностью и вязкостью. Вода играет роль пластификатора , маленькой молекулы, облегчающей прохождение полимерных цепей и тем самым повышая пластичность и прочность. При использовании натуральных волокон не по назначению, необходимо учитывать исходный уровень гидратации. Например, при гидратации модуль Юнга коллагена уменьшается с 3,26 до 0,6 ГПа и становится более пластичным и жестким. Кроме того, плотность коллагена снижается с 1,34 до 1,18 г / см ^ 3.

Приложения

Знания XIX века в ткачестве льна , конопли , джута , манильской конопли , сизаля и растительных волокон

Промышленное использование

Промышленное значение имеют четыре волокна животного происхождения: шерсть, шелк, верблюжья шерсть и ангора, а также четыре растительных волокна: хлопок, лен, конопля и джут. По масштабам производства и использования преобладает хлопок для текстильных изделий.

Композиты из натуральных волокон

Натуральные волокна также используются в композитных материалах, как синтетические или стеклянные волокна. Эти композиты, называемые биокомпозитами, представляют собой натуральное волокно в матрице синтетических полимеров. Одним из первых использованных пластиков, армированных биоволокном, было целлюлозное волокно в фенолах в 1908 году. Используется в приложениях, где важно поглощение энергии, таких как изоляция, шумопоглощающие панели или складные участки в автомобилях.

Натуральные волокна могут иметь различные преимущества перед синтетическими армирующими волокнами. В частности, они биоразлагаемые и возобновляемые. Кроме того, они часто имеют низкую плотность и более низкие затраты на обработку, чем синтетические материалы. Проблемы с конструкцией композитов, армированных натуральными волокнами, включают низкую прочность (натуральные волокна не так прочны, как стекловолокна) и трудности с фактическим соединением волокон и матрицы. Матрицы из гидрофобных полимеров обладают недостаточной адгезией для гидрофильных волокон.

Нанокомпозиты

Нанокомпозиты желательны из-за их механических свойств. Когда наполнители в композите имеют нанометровую шкалу длины, отношение поверхности к объему материала наполнителя является высоким, что влияет на объемные свойства композита в большей степени по сравнению с традиционными композитами. Свойства этих наноразмерных элементов заметно отличаются от свойств его объемной составляющей.

Что касается натуральных волокон, некоторые из лучших примеров нанокомпозитов появляются в биологии. Кость , раковина морского ушка , перламутр и зубная эмаль - все это нанокомпозиты. По состоянию на 2010 год большинство синтетических полимерных нанокомпозитов демонстрируют худшую ударную вязкость и механические свойства по сравнению с биологическими нанокомпозитами. Полностью синтетические нанокомпозиты действительно существуют, однако наноразмерные биополимеры также проходят испытания в синтетических матрицах. В нанокомпозитах используются несколько типов наноразмерных волокон на белковой основе. К ним относятся коллаген, целлюлоза, хитин и туникан. Эти структурные белки необходимо обработать перед использованием в композитах.

Чтобы использовать целлюлозу в качестве примера, полукристаллические микрофибриллы разрезают в аморфной области, в результате чего получается микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ). Эти мелкие кристаллические фибриллы целлюлозы на данном этапе реклассифицируются как усы и могут иметь диаметр от 2 до 20 нм с формой от сферической до цилиндрической. Усы коллагена, хитина и целлюлозы используются для создания биологических нанокомпозитов. Матрица этих композитов обычно представляет собой гидрофобные синтетические полимеры, такие как полиэтилен и поливинилхлорид, а также сополимеры полистирола и полиакрилата.

Традиционно в композитной науке требуется прочная граница раздела между матрицей и наполнителем для достижения хороших механических свойств. В противном случае фазы имеют тенденцию разделяться вдоль слабой границы раздела, что приводит к очень плохим механическим свойствам. Однако в композите MCC это не тот случай, если взаимодействие между наполнителем и матрицей сильнее, чем взаимодействие наполнитель-наполнитель, механическая прочность композита заметно снижается.

Трудности с нанокомпозитами из натуральных волокон возникают из-за их дисперсности и тенденции небольших волокон к агрегированию в матрице. Из-за высокого отношения площади поверхности к объему волокна имеют тенденцию к агрегированию, в большей степени, чем в композитах на микромасштабах. Кроме того, вторичная обработка источников коллагена для получения микроволокон коллагена достаточной чистоты увеличивает стоимость и затрудняет создание нанокомпозита на основе целлюлозы или другого наполнителя.

Биоматериал и биосовместимость

Натуральные волокна часто являются перспективными в качестве биоматериалов в медицинских целях. Хитин особенно примечателен и находит широкое применение. Материалы на основе хитина также использовались для удаления промышленных загрязнителей из воды, перерабатывались в волокна и пленки и использовались в качестве биосенсоров в пищевой промышленности. Хитин также использовался в нескольких медицинских целях. Он был использован в качестве материала для наполнения костей для регенерации тканей, носителя лекарственного средства и наполнителя , а также в качестве противоопухолевого агента. Введение инородных материалов в организм часто вызывает иммунный ответ, который может иметь множество положительных или отрицательных результатов в зависимости от реакции организма на материал. Имплантация чего-либо, сделанного из синтезированных естественным путем белков, например имплантата на основе кератина, может быть признана организмом как естественная ткань. Это может привести либо к интеграции в редких случаях, когда структура имплантата способствует возобновлению роста ткани, при этом имплант формирует надстройку, либо к деградации имплантата, в которой основные цепи белков распознаются для расщепления организмом.

Смотрите также

использованная литература

23. Куйваниеми, Хелена и Жерар Тромп. «Коллаген III типа (COL3A1): структура генов и белков, распределение в тканях и связанные с ними заболевания». Gene vol. 707 (2019): 151-171. DOI: 10.1016 / j.gene.2019.05.003

внешние ссылки