Натуральные волокна или натуральные волокна (см. различия в написании ) — это волокна , которые производятся в ходе геологических процессов или из тел растений или животных . [1] Их можно использовать в качестве компонента композитных материалов, где ориентация волокон влияет на свойства. [2] Натуральные волокна также можно сматывать в листы для изготовления бумаги или войлока . [3] [4]
Самым ранним свидетельством использования людьми волокон является обнаружение шерсти и окрашенных льняных волокон, найденных в доисторической пещере в Республике Грузия, которые датируются 36 000 г. до н. э . [5] [6] Натуральные волокна могут использоваться в высокотехнологичных приложениях, таких как композитные детали для автомобилей и медицинских принадлежностей. По сравнению с композитами, армированными стекловолокном , композиты с натуральными волокнами имеют такие преимущества, как более низкая плотность, лучшая теплоизоляция и меньшее раздражение кожи. Кроме того, в отличие от стеклянных волокон, натуральные волокна могут быть разрушены бактериями, как только они больше не используются.
Натуральные волокна хорошо впитывают воду и могут иметь различную текстуру. Например, хлопковые волокна, полученные из хлопчатника , дают легкие по весу, мягкие по текстуре ткани, которые могут быть сделаны 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 . [ необходима цитата ]
Животные волокна обычно состоят из белков, таких как коллаген , кератин и фиброин ; примерами являются шелк , сухожилия , шерсть , кетгут , ангора , мохер и альпака .
Хитин является вторым по распространенности природным полимером в мире , первым является коллаген. Это «линейный полисахарид β-(1-4)-2-ацетамидо-2-дезокси-D-глюкозы». [10] Хитин высококристалличен и обычно состоит из цепей, организованных в β-слой. Благодаря своей высокой кристалличности и химической структуре он нерастворим во многих растворителях. Он также имеет низкую токсичность для организма и инертен в кишечнике. Хитин также обладает антибактериальными свойствами. [11]
Хитин образует кристаллы, которые образуют фибриллы, окруженные белками. Эти фибриллы могут объединяться в более крупные волокна, которые способствуют иерархической структуре многих биологических материалов. [12] Эти фибриллы могут образовывать беспорядочно ориентированные сети, которые обеспечивают механическую прочность органического слоя в различных биологических материалах. [13]
Хитин обеспечивает защиту и структурную поддержку многим живым организмам. Он составляет клеточные стенки грибов и дрожжей, раковины моллюсков, экзоскелеты насекомых и членистоногих . В раковинах и экзоскелетах хитиновые волокна способствуют их иерархической структуре. [10]
В природе чистый хитин (100% ацетилирование ) не существует. Вместо этого он существует в виде сополимера с деацетилированным производным хитина, хитозаном. Когда ацетилированный состав сополимера более чем на 50% ацетилирован, он является хитином. [12] Этот сополимер хитина и хитозана является случайным или блочным сополимером. [10]
Хитозан — это деацетилированное производное хитина. Когда ацетилированный состав сополимера составляет менее 50%, это хитозан. [12] Хитозан — это 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 обрабатывать, чем хитин, но он менее стабилен, поскольку более гидрофилен и имеет чувствительность к pH. Благодаря простоте обработки хитозан используется в биомедицинских приложениях. [11]
Коллаген — это структурный белок, часто называемый «сталью биологических материалов». [14] Существует несколько типов коллагена: тип I (состоящий из кожи, сухожилий и связок, сосудистой системы и органов, а также зубов, костей и стенок 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 в организме.
Кератин — это структурный белок, расположенный на твердых поверхностях многих позвоночных. Кератин имеет две формы, α-кератин и β-кератин , которые встречаются в разных классах хордовых. Соглашение об именовании этих кератинов следует тому же, что и для белковых структур: альфа- кератин спиральный , а бета- кератин — листообразный. Альфа-кератин содержится в волосах, коже, ногтях, рогах и иглах млекопитающих , тогда как бета-кератин содержится в чешуе, перьях и клювах птиц и рептилий . Две разные структуры кератина имеют разные механические свойства, что видно по их разным применениям. Относительное выравнивание фибрилл кератина существенно влияет на механические свойства. В волосах человека нити альфа-кератина сильно выровнены, что обеспечивает прочность на разрыв приблизительно 200 МПа. Эта прочность на разрыв на порядок выше, чем у человеческих ногтей (20 МПа), поскольку кератиновые волокна человеческого волоса более выровнены. [10]
Натуральные волокна, как правило, имеют меньшую жесткость и прочность по сравнению с синтетическими волокнами. [10]
Свойства также ухудшаются с возрастом волокна. Молодые волокна, как правило, прочнее и эластичнее старых. [10] Многие натуральные волокна проявляют чувствительность к скорости деформации из-за своей вязкоупругой природы. [15] Кость содержит коллаген и проявляет чувствительность к скорости деформации, поскольку 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, они также заставляют шелк проявлять деформационное упрочнение. [12] Свойства натуральных волокон также зависят от содержания влаги в волокне. [10]
Присутствие воды играет решающую роль в механическом поведении натуральных волокон. Растениям нужна вода для роста. Если влажность была слишком высокой, то это привело бы к тому, что растения стали бы создавать плесень и бактерии. Влажность также увеличила бы количество вредителей вокруг растений. Гидратированные биополимеры, как правило, обладают повышенной пластичностью и прочностью. Вода играет роль пластификатора , небольшой молекулы, облегчающей прохождение полимерных цепей и тем самым увеличивающей пластичность и прочность. При использовании натуральных волокон в приложениях, выходящих за рамки их естественного использования, необходимо учитывать исходный уровень гидратации. Например, при гидратации модуль Юнга коллагена уменьшается с 3,26 до 0,6 ГПа и он становится как более пластичным, так и более прочным. Кроме того, плотность коллагена уменьшается с 1,34 до 1,18 г/см 3 . [10]
Промышленную ценность представляют четыре вида животных волокон: шерсть, шелк, верблюжья шерсть и ангора, а также четыре вида растительных волокон: хлопок, лен, пенька и джут. Доминирующим по масштабам производства и использования является хлопок для текстильных изделий. [16]
Натуральные волокна также используются в композитных материалах, подобно синтетическим или стеклянным волокнам. Эти композиты, называемые биокомпозитами, представляют собой натуральное волокно в матрице синтетических полимеров. [1] Одним из первых армированных биоволокном пластиков, которые использовались, было целлюлозное волокно в фенолах в 1908 году. [1] Использование включает приложения, где важно поглощение энергии, такие как изоляция, шумопоглощающие панели или складные области в автомобилях. [17]
Натуральные волокна могут иметь различные преимущества по сравнению с 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 проектирования композитов, армированных натуральными волокнами, включают низкую прочность (натуральные волокна не такие прочные, как стекловолокно) и трудности с фактическим связыванием волокон и матрицы. Гидрофобные полимерные матрицы обеспечивают недостаточную адгезию для гидрофильных волокон. [17]
Нанокомпозиты желательны из-за своих механических свойств. Когда наполнители в композите находятся в нанометровом масштабе длины, отношение поверхности к объему наполнителя высокое, что влияет на объемные свойства композита больше по сравнению с традиционными композитами. Свойства этих наноразмерных элементов заметно отличаются от свойств его объемного компонента.
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 прочность и механические свойства по сравнению с биологическими нанокомпозитами. [19] Полностью синтетические нанокомпозиты существуют, однако наноразмерные биополимеры также испытываются в синтетических матрицах. Несколько типов наноразмерных волокон на основе белков используются в нанокомпозитах. К ним относятся коллаген, целлюлоза, хитин и туникан. [20] Эти структурные белки должны быть обработаны перед использованием в композитах.
Если использовать целлюлозу в качестве примера, то полукристаллические микрофибриллы сдвигаются в аморфной области, в результате чего получается микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ). Эти небольшие кристаллические фибриллы целлюлозы в этой точке переклассифицируются как нитевидные кристаллы и могут быть диаметром от 2 до 20 нм с формой от сферической до цилиндрической. Усы коллагена, хитина и целлюлозы использовались 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 для достижения благоприятных механических свойств требуется прочный интерфейс между матрицей и наполнителем. Если это не так, фазы имеют тенденцию разделяться вдоль слабого интерфейса и приводят 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 в нанокомпозитах из натуральных волокон возникают из-за дисперсности и тенденции мелких волокон к агрегации в матрице. Из-за высокого отношения площади поверхности к объему волокна имеют тенденцию к агрегации, в большей степени, чем в микромасштабных композитах. Кроме того, вторичная обработка источников коллагена для получения коллагеновых микрофибрилл достаточной чистоты добавляет степень стоимости и сложности к созданию несущего нагрузку нанокомпозита на основе целлюлозы или другого наполнителя. [20]
Натуральные волокна часто показывают перспективность в качестве биоматериалов в медицинских приложениях. Хитин, в частности, примечателен и был включен в различные применения. 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 приложениях. Он был включен в качестве материала для заполнения костей при регенерации тканей, носителя лекарств 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 результаты в зависимости от реакции организма на материал. Имплантация чего-либо, сделанного из синтезированных естественным образом белков, например, имплантата на основе кератина, имеет потенциал для распознавания организмом как естественной ткани. Это может привести либо к интеграции в редких случаях, когда структура имплантата способствует восстановлению ткани, при этом имплантат образует надстройку, либо к деградации имплантата, при которой остовы 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 Джерард Тромп. «Коллаген типа III (COL3A1): структура гена и белка, распределение в тканях и ассоциированные заболевания». Gene vol. 707 (2019): 151-171. doi:10.1016/j.gene.2019.05.003
