Войти
Натуральные волокна или натуральные волокна (см. орфографические различия ) являются волокнами которые производятся растениями, животными и геологическими процессами. Их можно использовать в качестве компонента композитных материалов, где ориентация волокон влияет на свойства. Натуральные волокна также могут быть матированы в листы для изготовления бумаги или войлока.
. Самым ранним свидетельством использования волокон людьми является открытие шерсти и окрашенные льняные волокна, найденные в доисторической пещере в Республике Джорджия, датируемые 36000 BP. Натуральные волокна могут использоваться для высокотехнологичных приложений, таких как композитные детали 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.
| Категория | типы |
|---|---|
| Волокна, собранные из семян различных растений, известны как семенные волокна. | |
| Волокно листа | Волокна, собранные из клеток листа, известны как волокна листа, например, волокна банана, ананаса (PALF) и т. Д. |
| Лубяные волокна | Лубяные волокна собираются из внешней клетки слои стебля растения. Эти волокна используются для изготовления прочной пряжи, ткани, упаковки и бумаги. Примеры: лен, джут, кенаф, промышленная конопля, рами, ротанг <39.>и виноградные волокна. |
| Волокна, собранные из плодов растения, например кокосовое волокно (кокосовое волокно ). | |
| Волокна стеблей растений, например солома пшеницы, риса, ячменя, бамбука и соломы. |
Волокна животного происхождения обычно включают белки, такие как коллаген, кератин и фиброин ; примеры включают шелк, сухожилие, шерсть, кетгут, ангора, мохер и альпака.
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. 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.
Хитин образует кристаллы, которые образуют фибриллы, окруженные белками. Эти фибриллы могут объединяться в более крупные волокна, которые вносят вклад в иерархическую структуру многих биологических материалов. Эти фибриллы могут образовывать хаотически 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.
Химическая структура цепи хитозана Хитозан представляет собой 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 является структурным белком, часто называемым «сталью биологических материалов». 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.
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 - это спиральный, а бета кератин - листовой. Альфа-кератин содержится в волосах, коже, ногтях, рогах и перьях млекопитающих, тогда как бета-кератин содержится в чешуе птиц и рептилий, 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.
По сравнению с синтетическими волокнами, натуральные волокна имеют тенденцию к снижению жесткости и
| Материал | Волокно | Модуль упругости (ГПа) | Прочность (МПа) |
|---|---|---|---|
| Сухожилие | Коллаген | 1,50 | 150 |
| Кость | Коллаген | 20,0 | 160 |
| Экзоскелет грязевого краба ( влажный) | Хитин | 0,48 | 30 |
| Экзоскелет креветки (влажный) | Хитин | 0,55 | 28 |
| 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 проявляют чувствительность к скорости деформации из-за своей вязкоупругой природы. Кость содержит коллаген и проявляет чувствительность к скорости деформации, поскольку жесткость увеличивается со скоростью 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. Свойства натуральных волокон также зависят от содержания влаги в волокне.
Присутствие воды играет решающую роль в механическом поведении натуральных волокон. Гидратированные биополимеры обычно обладают повышенной пластичностью и ударной вязкостью. Вода играет роль пластификатора, небольшой 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.
Ткачество знаний XIX века лен, конопля, джут, Манильская конопля, сизаль и растительные волокна Промышленное значение имеют четыре волокна животного происхождения: шерсть, шелк, верблюжья шерсть и ангора, а также четыре растительных волокна: хлопок, лен, конопля и джут. Доминирующим с точки зрения масштабов производства и использования является хлопок для текстильных изделий.
Натуральные волокна также используются в композиционных материалах, как синтетические или стекловолокно. 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. Использование включает приложения, в которых важно поглощение энергии, например изоляция, шумопоглощающие панели или складывающиеся участки в автомобилях.
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. 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.
Нанокомпозиты желательны из-за их механических свойств. Когда наполнители в композите имеют масштаб длины нанометров, 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 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 основе белка. 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, поливинилхлорид и 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 так, если взаимодействие между наполнителем и матрицей сильнее, чем взаимодействие наполнитель-наполнитель, механическая прочность композита заметно снижается.
Трудности в нанокомпозитах из натуральных волокон возникают из-за дисперсность и склонность 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 несущего нагрузку нанокомпозита на основе целлюлозы или другого наполнителя.
Часто натуральные волокна перспективны в качестве биоматериалов в медицине. 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. Его использовали 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-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, при которой основные цепи белков распознаются для расщепления организмом.
| journal =() | Викискладе есть медиафайлы, связанные с Натуральными волокнами. |
