Натуральное волокно - Natural fiber

Часть серии по
Волокно
Семена капока I IMG 8004.jpg
Натуральные волокна
Искусственные волокна
  • Veranotrigo.jpg Портал сельского хозяйства и агрономии
  • Приложения Nuvola kcmsystem.svg Инженерный портал
  • Категория Категория: Волокна

Натуральные волокна или натуральные волокна (увидеть орфографические различия ) - волокна, которые производятся растения, животные, и геологические процессы.[1] Их можно использовать как компонент составной материалы, в которых ориентация волокон влияет на свойства.[2] Натуральные волокна также могут быть спутанный в листы, чтобы сделать бумага или чувствовал.[3][4]

Самым ранним свидетельством использования людьми волокон является открытие шерсть и покрашенный лен волокна, найденные в доисторической пещере в Республика Грузия которые датируются 36000 BP.[5][6] Натуральные волокна могут использоваться для высокотехнологичных приложений, таких как составной запчасти для автомобилей. По сравнению с композитами, армированными стекловолокно композиты с натуральными волокнами обладают такими преимуществами, 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. Одежду из натуральных волокон, таких как хлопок, часто предпочитают одежде из синтетические волокна людьми, живущими в жарком и влажном климате.

Растительные волокна

Категориятипы
Семенное волокноВолокна, собранные из семян различных растений, известны как семенные волокна.
Листовое волокноВолокна, собранные из клеток листа, известны как волокна листа, например, банана,[7] ананас (PALF),[8] и т.п.
Лубяная клетчаткаЛубяные волокна собирают из внешних слоев клеток стебля растения. Эти волокна используются для изготовления прочной пряжи, ткани, упаковки и бумаги. Некоторые примеры лен, джут, кенаф, промышленный конопля, рами, ротанг, и лоза волокна.[9]
Фруктовая клетчаткаВолокна, собранные из плодов растения, например, кокосовое волокно (кокосовое волокно ).
Стеблевое волокноВолокна из стеблей растений, например соломинка пшеница, рис, ячмень, бамбук и солома.[7]

Волокна животного происхождения

Волокна животного происхождения обычно включают 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, козья шерсть (кашемир, мохер ), волосы альпаки, конский волос и др.
  • Шелковое волокно: волокно, выделяемое железами насекомых (часто расположенными возле рта) во время приготовления коконы.
  • Птичье волокно: волокна птиц, например перья и пуховое волокно.

Хитин

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 произвольно 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 членистоногие. 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 как сополимер 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

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

Основная статья: Коллаген

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

Кератин

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. Условные обозначения для этих кератинов следуют таковому для белковых структур: альфа кератин спиральный и бета кератин пластинчатый. Альфа-кератин содержится в млекопитающее волосы, кожа, ногти, рога и перья, а бета-кератин можно найти в птичий и рептилоид виды в чешуе, перья, 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

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 проявляют чувствительность к скорости деформации из-за своей вязкоупругой природы.[15] Кость содержит коллаген и демонстрирует 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 вызывают деформационное упрочнение шелка.[12] Свойства натуральных волокон также зависят от содержания влаги в них.[10]

Зависимость от влажности

Присутствие воды играет решающую роль в механическом поведении натуральных волокон. Гидратированные биополимеры обычно обладают повышенной пластичностью и вязкостью. Вода играет роль пластификатор, небольшая молекула, облегчающая прохождение цепей полимера и тем самым повышающая пластичность и вязкость. 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

Ткачество знаний XIX века лен, конопля, джут, Конопля манильская, сизаль и растительные волокна

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 доминирует хлопок для текстильных изделий.[16]

Композиты из натуральных волокон

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 использованных пластиков, армированных биоволокном, в 1908 году было целлюлозное волокно в фенолах.[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 с дизайном 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

Основная статья: Нанокомпозит

Нанокомпозиты желательны из-за их механических свойств. Когда наполнители в композите нанометр В масштабе длины отношение поверхности к объему наполнителя высокое, 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 эмаль зубов все 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 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, полукристаллический микрофибриллы расслаиваются в аморфной области, что приводит к образованию микрокристаллической целлюлозы (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, поливинилхлорид и сополимеры полистирол и полиакрилат.[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 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 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.[20]

Биоматериал и биосовместимость

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 биосенсоры в пищевой промышленности.[21] Хитин также использовался в нескольких медицинских целях. Он был использован в качестве материала для наполнения костей для регенерации тканей, носителя лекарств и наполнитель, и как противоопухолевое средство.[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]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c Джон, Майя Джейкоб; Томас, Сабу (2008-02-08). «Биофибры и биокомпозиты». Углеводные полимеры. 71 (3): 343–364. Дои: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. ^ Доэль, Клаус (2013-08-25). «Новый метод производства бумажного наполнителя и волокнистого материала». Дои:10.2172/1091089. OSTI  1091089. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  4. ^ Гиллик, Т. Дж. (1959-08-01). «Войлок из натуральных и синтетических волокон». Промышленная и инженерная химия. 51 (8): 904–907. Дои:10.1021 / ie50596a025. ISSN  0019-7866.
  5. ^ Балтер, М. (2009). «Одежда делает человека (Ху)». Наука. 325 (5946): 1329. Дои: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:2009Научный ... 325.1359K. Дои:10.1126 / science.1175404. PMID  19745144. S2CID  206520793.
  7. ^ а б Fuqua, Michael A .; Хо, Шаньшань; Ульвен, Чад А. (01.07.2012). «Композиты, армированные натуральным волокном». Полимерные обзоры. 52 (3): 259–320. Дои:10.1080/15583724.2012.705409. ISSN  1558-3724. S2CID  138171705.
  8. ^ 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.
  9. ^ Саммерскейлз, Джон; Dissanayake, Nilmini P.J .; 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. Дои:10.1016 / j.compositesa.2010.06.001. HDL:10026.1/9928.
  10. ^ а б c d е ж г час я j Meyers, M.A .; Чен, П.Ю. (2014). Биологическое материаловедение. Объединенное Королевство: Издательство Кембриджского университета.
  11. ^ а б Ринаудо, Маргарита (01.07.2006). «Хитин и хитозан: свойства и применение». Прогресс в науке о полимерах. 31 (7): 603–632. Дои:10.1016 / j.progpolymsci.2006.06.001.
  12. ^ а б c d е 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. Дои:10.1016 / j.pmatsci.2007.05.002.
  13. ^ 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 / Доклады Третьей Международной конференции по механике биоматериалов и тканей. 4 (5): 626–657. Дои:10.1016 / j.jmbbm.2010.08.005. PMID  21565713.
  14. ^ К., ФУНГ, Ю. (1 января 1981 г.). БИОМЕХАНИКА: механические свойства живых тканей (1). СПРИНГЕР. ISBN  978-1475717525. OCLC  968439866.
  15. ^ Фратцл, Питер; Вейнкамер, Ричард (2007-11-01). «Иерархические материалы природы». Прогресс в материаловедении. 52 (8): 1263–1334. Дои:10.1016 / j.pmatsci.2007.06.001.
  16. ^ Эрик Франк, Фолькер Баух, Фриц Шульце-Гебхардт и Карл-Хайнц Херлингер (2011). «Волокна, 1. Обзор». ЭНЦИКЛОПЕДИЯ УЛЬМАННА ПРОМЫШЛЕННОЙ ХИМИИ. Вайли-ВЧ. Дои:10.1002 / 14356007.a10_451.pub2. ISBN  978-3527306732.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  17. ^ а б c Heng, Jerry Y. Y .; 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. Дои: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. Дои:10.1016 / с1672-6529 (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. Дои:10.1146 / annurev-matsci-070909-104424.
  20. ^ а б 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. Дои: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. Дои:10.1002 / (SICI) 1439-2054 (20000301) 276: 1 <1 :: AID-MAME1> 3.0.CO; 2-W.
  22. ^ а б Temenoff, J .; Микос, А (2008). Биоматериалы: пересечение биологии и материаловедения. Пирсон / Прентис Холл.

внешние ссылки