Přírodní vlákno - Natural fiber

Část série na
Vlákno
Přírodní vlákna
Zvíře Alpaka Angora Byssus Velbloudí srst Kašmír Catgut Chiengora Guanaco Lama Mohér Pašmína Qiviut Králičí Hedvábí Šlacha Pavoučí hedvábí Vlna Vicuňa Jak
Rostlina Abacá Bagasse Bambus Coir Bavlna Len ( Povlečení ) Konopí Juta Kapok Kenaf Piňa Borovice Rafie Ramie Sisal Dřevo
Minerální Azbest
Umělá vlákna
Regenerovaná vlákna Umělecké hedvábí
Polosyntetická vlákna Acetát Diacetát Lyocell Modální Rayon Triacetát
Syntetická vlákna Minerální Sklenka Uhlík ( Tenax ) Čedič Kovový Polymer Akryl Aramid ( Twaron , Kevlar , Technora , Nomex ) Mikrovlákno Modakryl Nylon Olefin Polyester Polyetylen ( Dyneema , Spectra ) Spandex Vinylon Vinyon Zylon
proti t E

Přírodní vlákna nebo přírodní vlákna (viz rozdíly v hláskování ) jsou vlákna, která jsou vyráběna geologickými procesy nebo z těl rostlin nebo zvířat . Mohou být použity jako součást kompozitních materiálů, kde orientace vláken ovlivňuje vlastnosti. Přírodní vlákna lze také matovat do listů, aby se z nich vyrobil papír nebo plsť .

Nejstarší důkazy o lidech s využitím vláken je objev vlny a obarvených lněných vláken našel v prehistorické jeskyně v Gruzínské republiky , které sahají až do 36,000 BP . Přírodní vlákna lze použít pro high-tech aplikace, jako jsou kompozitní díly pro automobily. Ve srovnání s kompozity vyztuženými skelnými vlákny mají kompozity s přírodními vlákny výhody, jako je nižší hustota, lepší tepelná izolace a snížení podráždění pokožky. Dále, na rozdíl od skleněných vláken, mohou být přírodní vlákna rozkládána bakteriemi, jakmile již nejsou používána.

Přírodní vlákna jsou dobrými absorbenty potu a lze je nalézt v různých strukturách. Například z bavlněných vláken vyrobených z bavlny se vyrábějí textilie, které jsou lehké, měkké textury a které lze vyrábět v různých velikostech a barvách. Lidé žijící v horkém a vlhkém podnebí často dávají přednost oděvům vyrobeným z přírodních vláken, jako je bavlna, před oděvy vyrobenými ze syntetických vláken .

Rostlinná vlákna

Živočišná vlákna

Živočišná vlákna obecně obsahují proteiny, jako je kolagen , keratin a fibroin ; mezi příklady patří hedvábí , šlacha , vlna , katgut , angora , mohér a alpaka .

• Živočišné chlupy (vlna nebo chlupy): Vlákna nebo vlna získaná ze zvířat nebo chlupatých savců. např. ovčí vlna, kozí srst ( kašmír , mohér ), vlasy z alpaky , koňské chlupy atd.
• Hedvábné vlákno: Vlákno vylučované žlázami (často se nacházejí v blízkosti úst) hmyzu při přípravě kokonů .

Chitin

Chemická struktura chitinových řetězců

Chitin je druhým nejhojnějším přírodním polymerem na světě, přičemž prvním je kolagen. Jedná se o „lineární polysacharid β- (1-4) -2-acetamido-2-deoxy-D-glukózy“. Chitin je vysoce krystalický a obvykle se skládá z řetězců uspořádaných v β listu. Díky své vysoké krystalinitě a chemické struktuře je nerozpustný v mnoha rozpouštědlech. Má také nízkou toxicitu v těle a je ve střevech inertní. Chitin má také antibakteriální vlastnosti.

Chitin tvoří krystaly, které vytvářejí fibrily obklopené bílkovinami. Tyto fibrily se mohou spojit a vytvořit větší vlákna, která přispívají k hierarchické struktuře mnoha biologických materiálů. Tyto fibrily mohou tvořit náhodně orientované sítě, které zajišťují mechanickou pevnost organické vrstvy v různých biologických materiálech.

Chitin poskytuje ochranu a strukturální podporu mnoha živým organismům. Tvoří buněčné stěny hub a kvasinek, lastury měkkýšů, exoskeletony hmyzu a členovců . Ve skořápkách a exoskeletech chitinová vlákna přispívají k jejich hierarchické struktuře.

V přírodě čistý chitin (100% acetylace ) neexistuje. Místo toho existuje jako kopolymer s chitinovým deacetylovaným derivátem, chitosanem. Když je acetylizovaná kompozice kopolymeru více než 50% acetylována, je to chitin. Tento kopolymer chitinu a chitosanu je náhodný nebo blokový kopolymer.

Chitosan

Chemická struktura chitosanového řetězce

Chitosan je deacetylovaný derivát chitinu. Když je acetylizované složení kopolymeru pod 50%, jedná se o chitosan. Chitosan je polokrystalický „polymer β- (1-4) -2-amino-2-deoxy-D-glukózy“. Jeden rozdíl mezi chitinem a chitosanem spočívá v tom, že chitosan je rozpustný v kyselých vodných roztocích. Chitosan se snadněji zpracovává jako chitin, ale je méně stabilní, protože je hydrofilnější a má citlivost na pH. Vzhledem ke snadnému zpracování se chitosan používá v biomedicínských aplikacích.

Kolagen

Kolagen je strukturní protein, často označovaný jako „ocel ​​biologických materiálů“. Existuje několik typů kolagenu: Typ I (zahrnující kůži, šlachy a vazy, vaskulaturu a orgány, stejně jako zuby, stěny kostí a tepen); Typ II (součást chrupavky); Typ III (často se vyskytuje v retikulárních vláknech ); a další. Kolagen má hierarchickou strukturu, tvoří trojité šroubovice, fibrily a vlákna. Kolagen je rodina bílkovin, které podporují a posilují mnoho tkání v těle.

Keratin

Diagram znázorňující vytvoření spirálové struktury alfa keratinů.

Keratin je strukturní protein nacházející se na tvrdých površích u mnoha obratlovců. Keratin má dvě formy, α-keratin a β-keratin , které se nacházejí v různých třídách strunatců. Konvence pojmenování pro tyto keratiny vyplývá z toho, že pro proteinové struktury: alfa keratin je šroubovicový a beta keratin je listový. Alfa keratin se nachází ve savčích vlasech, kůži, nehtech, rohu a brcích, zatímco beta keratin lze nalézt u ptačích a plazivých druhů v šupinách, peří a zobácích. Tyto dvě různé struktury keratinu mají odlišné mechanické vlastnosti, jak je vidět v jejich odlišných aplikacích. Relativní zarovnání keratinových fibril má významný vliv na mechanické vlastnosti. V lidských vlasech jsou vlákna alfa keratinu vysoce zarovnaná, což poskytuje pevnost v tahu přibližně 200 MPa. Tato pevnost v tahu je řádově vyšší než lidské nehty (20 MPa), protože keratinová vlákna lidských vlasů jsou více zarovnaná.

Vlastnosti

Ve srovnání se syntetickými vlákny mají přírodní vlákna sníženou tuhost a pevnost.

Vlastnosti také s věkem vlákna klesají. Mladší vlákna bývají silnější a pružnější než starší. Mnoho přírodních vláken vykazuje citlivost na rychlost deformace díky své viskoelastické povaze. Kost obsahuje kolagen a vykazuje citlivost na rychlost deformace v tom, že tuhost se zvyšuje s rychlostí deformace, známou také jako deformace . Pavoučí hedvábí má tvrdé a elastické oblasti, které společně přispívají k jeho citlivosti na deformační rychlost, což způsobuje, že hedvábí také vykazuje deformační zpevnění. Vlastnosti přírodních vláken jsou také závislé na obsahu vlhkosti ve vlákně.

Závislost na vlhkosti

Přítomnost vody hraje zásadní roli v mechanickém chování přírodních vláken. Hydratované biopolymery mají obecně zvýšenou tažnost a houževnatost. Voda hraje roli změkčovadla , malé molekuly usnadňující průchod polymerních řetězců a tím zvyšuje tažnost a houževnatost. Při použití přírodních vláken v aplikacích mimo jejich nativní použití je třeba vzít v úvahu původní úroveň hydratace. Například při hydrataci se Youngův modul kolagenu sníží z 3,26 na 0,6 GPa a stane se tažnějším i odolnějším. Hustota kolagenu se navíc snižuje z 1,34 na 1,18 g/cm^3.

Aplikace

19. století znalost tkaní lnu , konopí , juty , manilského konopí , sisalu a rostlinných vláken

Průmyslové použití

Průmyslové hodnoty jsou čtyři živočišná vlákna: vlna, hedvábí, velbloudí srst a angora a také čtyři rostlinná vlákna: bavlna, len, konopí a juta. Dominantní z hlediska rozsahu výroby a použití je bavlna na textil.

Kompozity z přírodních vláken

Přírodní vlákna se také používají v kompozitních materiálech, podobně jako syntetická nebo skleněná vlákna. Tyto kompozity, nazývané biokompozity, jsou přírodním vláknem v matrici syntetických polymerů. Jedním z prvních plastů vyztužených biofibry bylo celulózové vlákno ve fenolech v roce 1908. Použití zahrnuje aplikace, kde je důležitá absorpce energie, jako je izolace, panely pohlcující hluk nebo skládací oblasti v automobilech.

Přírodní vlákna mohou mít oproti syntetickým výztužným vláknům různé výhody. Nejvíce pozoruhodně jsou biologicky rozložitelné a obnovitelné. Navíc mají často nízkou hustotu a nižší náklady na zpracování než syntetické materiály. Problémy s designem u kompozitů vyztužených přírodními vlákny zahrnují špatnou pevnost (přírodní vlákna nejsou tak pevná jako skleněná vlákna) a potíže se skutečným spojením vláken a matrice. Hydrofobní polymerní matrice nabízejí nedostatečnou adhezi pro hydrofilní vlákna.

Nanokompozity

Nanokompozity jsou žádoucí pro své mechanické vlastnosti. Když jsou plniva v kompozitu v měřítku délky nanometrů , poměr povrchu k objemu výplňového materiálu je vysoký, což ovlivňuje objemové vlastnosti kompozitu více ve srovnání s tradičními kompozity. Vlastnosti těchto nanorozměrných prvků se výrazně liší od vlastností jejich objemových složek.

Pokud jde o přírodní vlákna, některé z nejlepších příkladů nanokompozitů se objevují v biologii. Kost , mušlová skořápka , perleť a zubní sklovina jsou nanokompozity. V roce 2010 vykazovala většina nanokompozitů syntetických polymerů nižší houževnatost a mechanické vlastnosti ve srovnání s biologickými nanokompozity. Zcela syntetické nanokompozity existují, ale nanosizované biopolymery jsou také testovány v syntetických matricích. V nanokompozitech se používá několik typů nanosizovaných vláken na bázi proteinů. Patří sem kolagen, celulóza, chitin a tunikán. Tyto strukturní proteiny musí být před použitím v kompozitech zpracovány.

Aby se jako příklad použila celulóza, semikrystalické mikrofibrily se stříhají v amorfní oblasti, což vede k mikrokrystalické celulóze (MCC). Tyto malé, krystalické celulózové fibrily jsou v tomto bodě překlasifikovány jako vous a mohou mít průměr 2 až 20 nm s tvary od sférického po válcový. K výrobě biologických nanokompozitů byly použity whisky z kolagenu, chitinu a celulózy. Matricí těchto kompozitů jsou obvykle hydrofobní syntetické polymery, jako je polyethylen a polyvinylchlorid a kopolymery polystyrenu a polyakrylátu.

K dosažení příznivých mechanických vlastností je v kompozitní vědě tradičně zapotřebí silné rozhraní mezi matricí a plnivem. Pokud tomu tak není, fáze mají tendenci se oddělovat podél slabého rozhraní a způsobují velmi špatné mechanické vlastnosti. U MCC kompozitu to však neplatí, pokud je interakce mezi plnivem a matricí silnější než interakce plnivo-plnivo, je mechanická pevnost kompozitu znatelně snížena.

Obtíže v nanokompozitech z přírodních vláken vyplývají z disperzity a tendence malých vláken agregovat se v matrici. Vzhledem k vysokému poměru povrchové plochy k objemu mají vlákna tendenci agregovat se, více než u kompozitů v mikro měřítku. Navíc sekundární zpracování zdrojů kolagenu za účelem získání kolagenových mikrofibril s dostatečnou čistotou přidává určitý stupeň nákladů a výzev k vytvoření nosné celulózy nebo jiného nanokompozitu na bázi plniva.

Biomateriál a biokompatibilita

Přírodní vlákna často slibují jako biomateriály v lékařských aplikacích. Chitin je zvláště pozoruhodný a byl začleněn do různých použití. Materiály na bázi chitinu byly také použity k odstranění průmyslových znečišťujících látek z vody, zpracovány na vlákna a filmy a použity jako biosenzory v potravinářském průmyslu. Chitin byl také použit v několika lékařských aplikacích. Byl začleněn jako materiál pro výplň kostí pro regeneraci tkání, nosič léčiva a pomocná látka a jako protinádorové činidlo. Vkládání cizích materiálů do těla často spouští imunitní odpověď, která může mít řadu pozitivních nebo negativních výsledků v závislosti na reakci těl na materiál. Implantace něčeho vyrobeného z přirozeně syntetizovaných proteinů, jako je implantát na bázi keratinu, má potenciál být tělem rozpoznán jako přirozená tkáň. To může vést buď k integraci ve vzácných případech, kdy struktura implantátu podporuje opětovný růst tkáně s implantátem tvořícím nadstavbu nebo degradaci implantátu, ve kterém jsou páteře proteinů rozpoznány pro štěpení tělem.

Viz také

• Coir
• Vlákno
• Mezinárodní rok přírodních vláken 2009
• Pavoučí hedvábí

Reference

23. Kuivaniemi, Helena a Gerard Tromp. "Kolagen typu III (COL3A1): Struktura genu a proteinu, distribuce tkáně a související choroby." Gene vol. 707 (2019): 151-171. doi: 10,1016/j.gene.2019.05.003

externí odkazy

• Mundo Material Archived 2011-04-11 na Wayback Machine
• IJSG