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, 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, [7] ананаса (PALF), [8] 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 . [9] |
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 солома . [7] |
Волокна животного происхождения
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 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». [10] 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. [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 случайно 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 оболочках 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
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
Коллаген - это структурный белок, который часто называют «сталью биологических материалов». [14] 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 спиралевидный, 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. [10]
Характеристики
По сравнению с синтетическими волокнами, натуральные волокна, как правило, обладают меньшей жесткостью и прочностью. [10]
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 из креветок (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. [10] Многие натуральные волокна обладают чувствительностью к скорости деформации из-за их вязкоупругой природы. [15] 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. [12] Свойства натуральных волокон также зависят от содержания влаги в них. [10]
Зависимость от влаги
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. [10]
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. [16]
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. [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 биоразлагаемые и возобновляемые. 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 соединением волокон и матрицы. Матрицы из гидрофобных полимеров обладают недостаточной адгезией для гидрофильных волокон. [17]
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. [19] 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. [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. Если это не так, 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. [20]
Трудности с нанокомпозитами из натуральных волокон возникают из-за их дисперсности и склонности мелких волокон к агрегации 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
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. [21] 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. [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-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. [21] [22]
Смотрите также
- Кокосовое волокно
- Волокно
- Международный год натуральных волокон 2009 г.
- Паучий шелк
Рекомендации
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Доэль, Клаус (2013-08-25). «Новый способ производства бумажного наполнителя и волокнистого материала» . DOI : 10.2172 / 1091089 . ОСТИ 1091089 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Гиллик, Т.Дж. (1959-08-01). «Войлок из натуральных и синтетических волокон». Промышленная и инженерная химия . 51 (8): 904–907. DOI : 10.1021 / ie50596a025 . ISSN 0019-7866 .
- ^ Балтер, М. (2009). "Одежда делает человека (Ху)". Наука . 325 (5946): 1329. DOI : 10.1126 / science.325_1329a . PMID 19745126 .
- ^ 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 .
- ^ а б Fuqua, Michael A .; 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 .
- ^ Тодкар, Сантош (01.10.2019). «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 .
- ^ 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 .
- ^ Б с д е е г ч я J Мейерс, Массачусетс; Чен, ПЙ (2014). Биологическое материаловедение . Соединенное Королевство: Издательство Кембриджского университета .
- ^ а б 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 .
- ^ а б в г 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 .
- ^ Meyers, Marc A .; 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 / Труды Третьей Международной конференции по механике биоматериалов и тканей. 4 (5): 626–657. DOI : 10.1016 / j.jmbbm.2010.08.005 . PMID 21565713 .
- ^ К., ФУНГ, Ю. (01.01.1981). БИОМЕХАНИКА: механические свойства живых тканей (1) . СПРИНГЕР. ISBN 978-1475717525. OCLC 968439866 .
- ^ Фратцл, Питер; Вейнкамер, Ричард (01.11.2007). «Иерархические материалы природы» . Прогресс в материаловедении . 52 (8): 1263–1334. DOI : 10.1016 / j.pmatsci.2007.06.001 .
- ^ Эрик Франк, Фолькер Баух, Фриц Шульце-Гебхардт и Карл-Хайнц Херлингер (2011). «Волокна, 1. Обзор». ЭНЦИКЛОПЕДИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ХИМИИ УЛЬМАНА . Wiley-VCH . DOI : 10.1002 / 14356007.a10_451.pub2 . ISBN 978-3527306732.CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
- ^ а б в Хенг, 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 .
- ^ Раджеш, Муруган; Питчаймани, Джейарадж (2017). «Механические свойства плетеного композита из натурального волокна: сравнение с обычным композитом из пряжи». Журнал бионической инженерии . 14 (1): 141–150. DOI : 10.1016 / s1672-6529 (16) 60385-2 . S2CID 136362311 .
- ^ 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 .
- ^ а б в г 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 .
- ^ 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 .
- ^ а б Temenoff, J .; Микос, А (2008). Биоматериалы: пересечение биологии и материаловедения . Пирсон / Прентис Холл.
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
- IJSG