Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Часть серии по
Волокно
Семена капока I IMG 8004.jpg
Натуральные волокна
Животное
Растение
Минеральная
Искусственные волокна
Регенерированные волокна
Полусинтетические волокна
  • Ацетат
  • Диацетат
  • Лиоцелл
  • Модальный
  • Район
  • Триацетат
Синтетические волокна
  •  Портал сельского хозяйства и агрономии
  •  Инженерный портал
  • Категория Категория: Волокна
  • v
  • т
  • е

Натуральные волокна или натуральные волокна (см. Различия в написании ) - это волокна, которые производятся растениями , животными и геологическими процессами . [1] Их можно использовать в качестве компонента композиционных материалов, где ориентация волокон влияет на свойства. [2] Натуральные волокна также можно склеивать в листы, чтобы сделать бумагу или войлок . [3] [4]

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 . [5] [6] Натуральные волокна могут использоваться 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, можно производить ткани, которые имеют легкий вес, мягкие по текстуре и 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 [ править ]

Категориятипы
Семенное волокноВолокна, собранные из семян различных растений, известны как семенные волокна.
Листовое волокноВолокна, собранные из клеток листа, известны как волокна листа, например, банан, [7] ананас (PALF), [8] и т. Д.
Лубяная клетчаткаЛубяные волокна собираются из внешних слоев клеток стебля растения. Эти волокна используются для изготовления прочной пряжи, ткани, упаковки и бумаги. Некоторые примеры - волокна льна , джута , кенафа , промышленной конопли , рами , ротанга и винограда . [9]
Фруктовая клетчаткаВолокна, собранные из плодов растения, например, кокосового волокна ( кокосового волокна ).
Стеблевое волокноВолокна из стеблей растений, например , солома пшеницы , риса , ячменя, бамбука и солома . [7]

Волокна животного происхождения [ править ]

Волокна животного происхождения 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, взятые у 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 .
  • Птичье волокно: волокна птиц, например перья и перьевые волокна.

Хитин [ править ]

Основная статья: 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». [10] Хитин очень кристаллический и обычно состоит из цепей, организованных в β-лист. Благодаря своей высокой кристалличности и химической структуре он не растворяется во многих растворителях. Он также малотоксичен для организма и инертен в кишечнике. Хитин также обладает антибактериальными свойствами. [11]

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. [12] Эти фибриллы могут образовывать беспорядочно ориентированные сети, которые обеспечивают механическую прочность органического слоя в различных биологических материалах. [13]

Хитин обеспечивает защиту и структурную поддержку многих живых организмов. Он составляет клеточные стенки грибов и дрожжей, раковины моллюсков, экзоскелеты насекомых и членистоногих . В раковинах и экзоскелетах хитиновые волокна вносят вклад в их иерархическую структуру. [10]

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. [12] Этот сополимер хитина и хитозана представляет собой статистический или блок-сополимер. [10]

Хитозан [ править ]

Основная статья: Хитозан
Химическая структура цепи хитозана

Хитозан - деацетилированное производное хитина. Когда ацетилированный состав сополимера составляет менее 50%, это хитозан. [12] Хитозан представляет собой полукристаллический «полимер β- (1-4) -2-амино-2-дезокси-D-глюкозы». [10] 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. [11]

Коллаген [ править ]

Основная статья: Коллаген

Коллаген - это структурный белок, который часто называют «сталью биологических материалов». [14] Существует несколько типов коллагена: тип I (включает кожу, сухожилия и связки, сосудистую сеть и органы, а также зубы и кости); Тип II (компонент хряща); Тип III (часто встречается в ретикулярных волокнах ); и другие. Коллаген имеет иерархическую структуру, образуя тройные спирали, фибриллы и волокна. [12]

Кератин [ править ]

Основная статья: 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 тому, что и для белковых структур: альфа- кератин имеет спиральную форму, а бета- кератин - пластинчатый. Альфа-кератин содержится в волосах, коже, ногтях, рогах и перьях млекопитающих , а бета-кератин содержится в чешуе и перьях птиц и рептилий., и клювы. Две разные структуры кератина имеют разные механические свойства, что видно из их разных применений. Относительное расположение кератиновых фибрилл оказывает значительное влияние на механические свойства. В человеческих волосах нити альфа-кератина сильно выровнены, обеспечивая прочность 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. [10]

Свойства [ править ]

По сравнению с синтетическими волокнами натуральные волокна, как правило, имеют меньшую жесткость и прочность. [10]

Механические свойства при растяжении натуральных волокон [10]
МатериалВолокноМодуль упругости (ГПа)Прочность (МПа)
СухожилиеКоллаген1,50150
КостьКоллаген20,0160
Экзоскелет грязевого краба (мокрый)Хитин0,4830
Экзоскелет из креветок (мокрый)Хитин0,5528
Бычье копытоКератин0,4016
ШерстьКератин0,50200

Свойства также ухудшаются с возрастом волокна. Молодые волокна имеют тенденцию быть более прочными и эластичными, чем более старые. [10] Многие натуральные волокна обладают чувствительностью к скорости деформации из-за их вязкоупругой природы. [15] Кость содержит коллаген и демонстрирует чувствительность к скорости деформации, так как 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 вызывают деформационное упрочнение шелка. [12] Свойства натуральных волокон также зависят от содержания влаги в них. [10]

Зависимость от влажности [ править ]

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 цепей полимера и тем самым повышая пластичность и прочность. При использовании натуральных волокон в приложениях, отличных от их естественного использования, необходимо учитывать исходный уровень гидратации. Например, при гидратации модуль Юнга коллагена снижается 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. [10]

Приложения [ править ]

Ткачество XIX века из льна , конопли , джута , манильской конопли , сизаля и растительных волокон

Промышленное использование [ править ]

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 доминирует хлопок для текстильных изделий. [16]

Композиты из натуральных волокон [ править ]

Основная статья: Биокомпозит

Натуральные волокна также используются в композитных материалах, во многом как синтетические или стеклянные волокна. Эти композиты, называемые биокомпозитами, представляют собой натуральное волокно в матрице синтетических полимеров. [1] Одним из первых пластиков, армированных биоволокном, было целлюлозное волокно в фенолах в 1908 году. [1] Использование включает приложения, в которых важно поглощение энергии, например изоляция, шумопоглощающие панели или складные участки в автомобилях. [17]

Натуральные волокна могут иметь различные преимущества перед синтетическими армирующими волокнами. В частности, они биоразлагаемы и возобновляемы. Кроме того, они часто имеют низкую плотность и более низкие затраты на обработку, чем синтетические материалы. [17] [18] Проблемы проектирования композитов, армированных натуральными волокнами, включают низкую прочность (натуральные волокна не так прочны, как стекловолокна) и трудности с фактическим связыванием волокон и матрицы. Матрицы из гидрофобных полимеров обладают недостаточной адгезией для гидрофильных волокон. [17]

Нанокомпозиты [ править ]

Основная статья: Нанокомпозит

Нанокомпозиты желательны из-за их механических свойств. Когда наполнители в композите имеют нанометровую шкалу длины, отношение поверхности к объему 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, в биологии появляются одни из лучших примеров нанокомпозитов. Кость , раковина морского ушка , перламутр и зубная эмаль - все это нанокомпозиты. По состоянию на 2010 год большинство синтетических полимерных нанокомпозитов демонстрируют худшую вязкость и механические свойства по сравнению с биологическими нанокомпозитами. [19] Полностью синтетические нанокомпозиты действительно существуют, однако наноразмерные биополимеры также проходят испытания в синтетических матрицах. В нанокомпозитах используются несколько типов наноразмерных волокон на основе белка. К ним относятся коллаген, целлюлоза, хитин и туникан. [20] 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. [20] [19]

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 так, если взаимодействие между наполнителем и матрицей сильнее, чем взаимодействие наполнитель-наполнитель, механическая прочность композита заметно снижается. [20]

Трудности с нанокомпозитами из натуральных волокон возникают из-за их дисперсности и склонности мелких 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. [20]

Биоматериал и биосовместимость [ править ]

Основная статья: Биоматериал

Натуральные волокна часто перспективны 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. [21] Хитин также использовался в нескольких медицинских целях. Его использовали в качестве материала для наполнения кости для регенерации тканей, в качестве носителя и наполнителя лекарственного средства , а также в качестве противоопухолевого агента. [22]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-то, 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 повторному росту ткани, при этом имплант формирует надстройку, либо к деградации имплантата, в которой основные цепи белков распознаются для расщепления организмом. [21] [22]

См. Также [ править ]

  • Кокосовое волокно
  • Волокно
  • Международный год натуральных волокон 2009 г.
  • Паучий шелк

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Джон, Майя Джейкоб; Томас, Сабу (2008-02-08). «Биофибры и биокомпозиты». Углеводные полимеры . 71 (3): 343–364. DOI : 10.1016 / j.carbpol.2007.05.040 .
  2. ^ Соуза, Фангейро, Рауль Мануэль Эстевес де; Сохел, Рана (11 февраля 2016 г.). Натуральные волокна: достижения науки и техники в направлении промышленного применения: от науки к рынку . ISBN 9789401775137. OCLC  938890984 .
  3. ^ Doelle, Клаус (2013-08-25). «Новый способ производства бумажного наполнителя и волокнистого материала» . DOI : 10.2172 / 1091089 . ОСТИ 1091089 .  Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  4. ^ Gillick, TJ (1959-08-01). «Войлок из натуральных и синтетических волокон». Промышленная и инженерная химия . 51 (8): 904–907. DOI : 10.1021 / ie50596a025 . ISSN 0019-7866 . 
  5. ^ Балтер, M (2009). «Одежда делает человека (Ху)». Наука . 325 (5946): 1329. DOI : 10.1126 / science.325_1329a . PMID 19745126 . 
  6. ^ Квавадзе, Э; Бар-Йосеф, О; Белфер-Коэн, А; Боаретто, E; Джакели, N; Мацкевич, З .; Мешвелиани, Т (2009). «Волокна дикого льна возрастом 30 000 лет» . Наука . 325 (5946): 1359. Bibcode : 2009Sci ... 325.1359K . DOI : 10.1126 / science.1175404 . PMID 19745144 . S2CID 206520793 .  
  7. ^ a b Fuqua, Майкл А .; Хо, Шаньшань; Ульвен, Чад А. (01.07.2012). «Композиты, армированные натуральным волокном». Полимерные обзоры . 52 (3): 259–320. DOI : 10.1080 / 15583724.2012.705409 . ISSN 1558-3724 . S2CID 138171705 .  
  8. ^ Тодкар, Сантош (2019-10-01). «Обзор оценки механических свойств полимерных композитов, армированных волокном ананасового листа (PALF)». Композиты Часть B . 174 : 106927. дои : 10.1016 / j.compositesb.2019.106927 . ISSN 1359-8368 . 
  9. ^ Саммерскейлз, Джон; Диссанаяке, Nilmini PJ; Virk, Amandeep S .; Холл, Уэйн (01.10.2010). «Обзор лубяных волокон и их композитов. Часть 1 - Волокна как армирующие» (PDF) . Композиты Часть A . 41 (10): 1329–1335. DOI : 10.1016 / j.compositesa.2010.06.001 . ЛВП : 10026,1 / 9928 .
  10. ^ Б с д е е г ч я J Мейерс, штат Массачусетс; Чен, ПЙ (2014). Биологическое материаловедение . Соединенное Королевство: Издательство Кембриджского университета .
  11. ^ a b Ринаудо, Маргарита (01.07.2006). «Хитин и хитозан: свойства и применение». Прогресс в науке о полимерах . 31 (7): 603–632. DOI : 10.1016 / j.progpolymsci.2006.06.001 .
  12. ^ a b c d e Мейерс, Марк Андре; Чен, По-Ю; Лин, Альберт Ю-Мин; Секи, Ясуаки (01.01.2008). «Биологические материалы: структура и механические свойства». Прогресс в материаловедении . 53 (1): 1–206. DOI : 10.1016 / j.pmatsci.2007.05.002 .
  13. ^ Мейерс, Марк А .; Чен, По-Ю; Лопес, Мария I .; Секи, Ясуаки; Лин, Альберт Ю.М. (01.07.2011). «Биологические материалы: материаловедческий подход». Журнал механического поведения биомедицинских материалов . Специальный выпуск о природных материалах / Доклады Третьей Международной конференции по механике биоматериалов и тканей. 4 (5): 626–657. DOI : 10.1016 / j.jmbbm.2010.08.005 . PMID 21565713 . 
  14. ^ К., ФУНГ, Ю. (1981-01-01). БИОМЕХАНИКА: механические свойства живых тканей (1) . СПРИНГЕР. ISBN 978-1475717525. OCLC  968439866 .
  15. ^ Fratzl, Питер; Вейнкамер, Ричард (2007-11-01). «Иерархические материалы природы» . Прогресс в материаловедении . 52 (8): 1263–1334. DOI : 10.1016 / j.pmatsci.2007.06.001 .
  16. ↑ Эрик Франк, Фолькер Баух, Фриц Шульце-Гебхардт и Карл-Хайнц Херлингер (2011). «Волокна, 1. Обзор». ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УЛЬМАНА ПРОМЫШЛЕННОЙ ХИМИИ . Wiley-VCH . DOI : 10.1002 / 14356007.a10_451.pub2 . ISBN 978-3527306732.CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  17. ^ a b c Хэн, Джерри YY; Пирс, Дункан Ф .; Тильман, Франк; Ламке, Томас; Бисмарк, Александр (01.01.2007). «Методы определения поверхностной энергии натуральных волокон: обзор». Композитные интерфейсы . 14 (7–9): 581–604. DOI : 10.1163 / 156855407782106492 . ISSN 0927-6440 . S2CID 97667541 .  
  18. ^ Раджеш, Муруган; Питчаймани, Джейарадж (2017). «Механические свойства плетеного композита из плетеной пряжи из натурального волокна: сравнение с традиционным композитом из пряжи». Журнал бионической инженерии . 14 (1): 141–150. DOI : 10.1016 / s1672-6529 (16) 60385-2 . S2CID 136362311 . 
  19. ^ а б Цзи, Баохуа; Гао Хуацзянь (02.07.2010). «Механические основы биологических нанокомпозитов». Ежегодный обзор исследований материалов . 40 (1): 77–100. Bibcode : 2010AnRMS..40 ... 77J . DOI : 10,1146 / annurev-matsci-070909-104424 .
  20. ^ a b c d Азизи Самир, Мой Ахмед Саид; Аллоин, Fannie; Дюфрен, Ален (март 2005 г.). «Обзор последних исследований целлюлозных усов, их свойств и их применения в области нанокомпозитов». Биомакромолекулы . 6 (2): 612–626. DOI : 10.1021 / bm0493685 . PMID 15762621 . 
  21. ^ а б Моханти, А; Мисра, М; Хенрихсен, Г. (март 2000 г.). «Биофибры, биоразлагаемые полимеры и биокомпозиты: обзор». Макромолекулярные материалы и инженерия . 276 : 1–24. DOI : 10.1002 / (SICI) 1439-2054 (20000301) 276: 1 <1 :: AID-MAME1> 3.0.CO; 2-W .
  22. ^ a b Temenoff, J .; Микос, А (2008). Биоматериалы: пересечение биологии и материаловедения . Пирсон / Прентис Холл.

Внешние ссылки [ править ]

  • Материал Mundo
  • IJSG