Натуральное волокно - Natural fiber
Часть серии о |
Волокно |
---|
Натуральные волокна |
Искусственные волокна |
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
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
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
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.
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
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
- Материал Mundo, заархивированный 11 апреля 2011 г., находится на Wayback Machine
- IJSG