Натуральные волокна или натуральные волокна (см. различия в написании ) — это волокна , которые производятся в результате геологических процессов или из тел растений или животных . [1] Их можно использовать в качестве компонента композиционных материалов, где ориентация волокон влияет на свойства. [2] Натуральные волокна также можно сплести в листы для изготовления бумаги или фетра . [3] [4]
Самым ранним свидетельством использования людьми волокон является обнаружение шерсти и окрашенных льняных волокон, найденных в доисторической пещере в Республике Грузия , датируемой 36 000 лет назад . [5] [6] Натуральные волокна можно использовать для высокотехнологичных применений, таких как композитные детали для автомобилей и предметы медицинского назначения. По сравнению с композитами, армированными стекловолокнами , композиты с натуральными волокнами имеют такие преимущества, как меньшая плотность, лучшая теплоизоляция и меньшее раздражение кожи. Кроме того, в отличие от стеклянных волокон, натуральные волокна могут разрушаться бактериями, когда они перестают использоваться.
Натуральные волокна являются хорошими водопоглотителями и могут иметь различную текстуру. Например, из хлопковых волокон, полученных из хлопкового растения, получаются легкие по весу, мягкие по текстуре ткани, которые можно изготавливать в различных размерах и цветах. Люди, живущие в жарком и влажном климате, часто предпочитают одежду из натуральных волокон, таких как хлопок, одежде из синтетических волокон . [ нужна цитата ]
Животные волокна обычно содержат белки, такие как коллаген , кератин и фиброин ; примеры включают шелк , сухожилия , шерсть , кетгут , ангору , мохер и альпаку .
Хитин — второй по распространенности природный полимер в мире , первое место занимает коллаген. Это «линейный полисахарид β-(1-4)-2-ацетамидо-2-дезокси-D-глюкозы». [10] Хитин высококристаллический и обычно состоит из цепей, организованных в β-лист. Из-за своей высокой кристалличности и химической структуры он нерастворим 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 формируют иерархическую структуру многих биологических материалов. [12] Эти фибриллы могут образовывать хаотично ориентированные сети, которые обеспечивают механическую прочность органического слоя в различных биологических материалах. [13]
Хитин обеспечивает защиту и структурную поддержку многим живым организмам. Из него состоят клеточные стенки грибов и дрожжей, раковины моллюсков, экзоскелет насекомых и членистоногих . В панцирях и экзоскелетах волокна хитина способствуют их иерархической структуре. [10]
В природе чистого хитина (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 – 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 из различий между хитином и хитозаном заключается в том, что хитозан растворим в кислых водных растворах. Хитозан легче перерабатывать, чем хитин, но он менее стабилен, поскольку более гидрофильен и чувствителен к pH. Благодаря простоте обработки хитозан используется в биомедицинских целях. [11]
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, кости и стенки артерий); Тип II (компонент хряща); Тип III (часто встречается в ретикулярных волокнах ); и другие. Коллаген имеет иерархическую структуру, образующую тройные спирали, фибриллы и волокна. Коллаген — это семейство белков, которые поддерживают и укрепляют многие ткани организма.
Кератин — это структурный белок, расположенный на твердых поверхностях многих позвоночных. Кератин имеет две формы: α-кератин и β-кератин , которые встречаются у разных классов хордовых. Соглашение об именах для этих кератинов такое же, как и для белковых структур: альфа- кератин имеет спиральную форму , а бета- кератин имеет листовидную форму. Альфа-кератин содержится в волосах, коже, ногтях, рогах и иглах млекопитающих , тогда как бета-кератин можно найти у птиц и рептилий в чешуе, перьях и клювах. Две разные структуры кератина имеют разные механические свойства, что видно из их разных применений. Относительное расположение кератиновых фибрилл существенно влияет на механические свойства. В человеческих волосах нити альфа-кератина хорошо выровнены, что обеспечивает прочность на разрыв около 200 МПа. Эта прочность на разрыв на порядок выше, чем у человеческих ногтей (20 МПа), поскольку кератиновые нити человеческого волоса более выровнены. [10]
Натуральные волокна имеют тенденцию иметь меньшую жесткость и прочность по сравнению с синтетическими волокнами. [10]
Свойства также ухудшаются с возрастом волокна. Молодые волокна обычно более прочные и эластичные, чем старые. [10] Многие натуральные волокна проявляют чувствительность к скорости деформации из-за своей вязкоупругой природы. [15] Кость содержит коллаген и проявляет чувствительность к скорости деформации: жесткость увеличивается со скоростью деформации, что также известно как деформационное упрочнение . Паучий шелк имеет твердые и эластичные области, которые вместе способствуют его чувствительности к скорости деформации, что также приводит к упрочнению шелка. [12] Свойства натуральных волокон также зависят от содержания влаги в волокне. [10]
Присутствие воды играет решающую роль в механическом поведении натуральных волокон. Гидратированные биополимеры обычно обладают повышенной пластичностью и прочностью. Вода играет роль пластификатора — небольшой молекулы, облегчающей прохождение полимерных цепей и тем самым повышающей пластичность и прочность. При использовании натуральных волокон в целях, выходящих за рамки их естественного использования, необходимо учитывать первоначальный уровень гидратации. Например, при гидратации модуль Юнга коллагена снижается с 3,26 до 0,6 ГПа и становится одновременно более пластичным и жестким. При этом плотность коллагена снижается с 1,34 до 1,18 г/см 3 . [10]
Промышленное значение имеют четыре волокна животного происхождения: шерсть, шелк, верблюжья шерсть и ангора, а также четыре растительных волокна: хлопок, лен, конопля и джут. Доминирующим по масштабам производства и использования является хлопок для текстиля. [16]
Натуральные волокна также используются в композитных материалах, подобно синтетическим или стеклянным волокнам. Эти композиты, называемые биокомпозитами, представляют собой натуральные волокна в матрице синтетических полимеров. [1] Одним из первых пластиков, армированных биоволокном, было целлюлозное волокно в фенолах, появившееся в 1908 году. [1] Использование включает в себя приложения, где поглощение энергии важно, например, изоляция, шумопоглощающие панели или складные зоны в автомобилях. [17]
Натуральные волокна могут иметь различные преимущества перед синтетическими армирующими волокнами. Прежде всего, 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 натуральным волокном, включают низкую прочность (натуральные волокна не так прочны, как стекловолокна) и трудности с фактическим соединением волокон и матрицы. Гидрофобные полимерные матрицы обладают недостаточной адгезией для гидрофильных волокон. [17]
Нанокомпозиты желательны из-за своих механических свойств. Когда наполнители в композите имеют нанометровую длину, отношение поверхности к объему материала наполнителя велико, что больше влияет на объемные свойства композита 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 можно найти в биологии. Кость , раковина морского ушка , перламутр и зубная эмаль — все это нанокомпозиты. По состоянию на 2010 год большинство синтетических полимерных нанокомпозитов обладают меньшей прочностью и механическими свойствами по сравнению с биологическими нанокомпозитами. [19] Полностью синтетические нанокомпозиты существуют, однако наноразмерные биополимеры также испытываются 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 должны быть обработаны перед использованием в композитах.
Если использовать в качестве примера целлюлозу, полукристаллические микрофибриллы разрезаются в аморфной области, в результате чего образуется микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ). Эти небольшие фибриллы кристаллической целлюлозы на данный момент переклассифицируются как нитевидные кристаллы и могут иметь диаметр от 2 до 20 нм и форму 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 науке о композитах для достижения благоприятных механических свойств требуется прочная граница между матрицей и наполнителем. В противном случае фазы имеют тенденцию разделяться вдоль слабой границы раздела, что приводит к очень плохим механическим свойствам. Однако в композите МКЦ 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 дисперсности и склонности мелких волокон к агрегации в матрице. Из-за высокого соотношения площади поверхности к объему волокна имеют тенденцию к агрегации, в большей степени, чем в микрокомпозитах. Кроме того, вторичная обработка источников коллагена для получения коллагеновых микрофибрилл достаточной чистоты увеличивает стоимость и сложность создания несущего нанокомпозита на основе целлюлозы или другого наполнителя. [20]
Натуральные волокна часто перспективны в качестве биоматериалов в медицинских целях. Хитин особенно примечателен и используется в различных целях. Материалы на основе хитина также используются для удаления промышленных загрязнителей из воды, перерабатываются в волокна и пленки и используются в качестве биосенсоров в пищевой промышленности. [21] Хитин также использовался в нескольких медицинских целях. Его использовали в качестве костного наполнителя для регенерации тканей, носителя лекарственного средства и наполнителя , а также в качестве противоопухолевого средства. [22] Введение инородных материалов в организм часто вызывает иммунный ответ, который может иметь различные положительные или отрицательные последствия в зависимости от реакции организма на материал. Имплантация чего-либо, сделанного из естественно синтезированных белков, например, имплантата на основе кератина, может быть признана организмом как естественная ткань. В редких случаях это может привести либо к интеграции, когда структура имплантата способствует возобновлению роста ткани, при этом имплантат образует надстройку, либо к деградации имплантата, при которой основные цепи белков распознаются организмом для расщепления. [21] [22]
{{cite book}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)23. Куиваниеми, Хелена и Жерар Тромп. «Коллаген типа III (COL3A1): структура генов и белков, распределение в тканях и связанные с ними заболевания». Джин об. 707 (2019): 151–171. doi:10.1016/j.gene.2019.05.003