stringtranslate.com

Натуральное волокно

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 ]

Растительные волокна

Животные волокна

Животные волокна обычно содержат белки, такие как коллаген , кератин и фиброин ; примеры включают шелк , сухожилия , шерсть , кетгут , ангору , мохер и альпаку .

Хитин

Химическая структура хитиновых цепей

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

Химическая структура хитозановой цепи

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

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

Диаграмма, показывающая создание спиральной структуры альфа-кератина.

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]

Характеристики

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]

Зависимость от влаги

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]

Приложения

Знания XIX века: ткачество из льна , конопли , джута , манильской конопли , сизаля и растительных волокон.

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. Доминирующим по масштабам производства и использования является хлопок для текстиля. [16]

Композиты из натуральных волокон

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

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]

Биоматериал и биосовместимость

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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abc Джон, Майя Джейкоб; Томас, Сабу (8 февраля 2008 г.). «Биоволокна и биокомпозиты». Углеводные полимеры . 71 (3): 343–364. doi :10.1016/j.carbpol.2007.05.040.
  2. ^ Соуза, Фангейро, Рауль Мануэль Эстевес де; Сохель, Рана (11 февраля 2016 г.). Натуральные волокна: достижения науки и техники к промышленному применению: от науки к рынку . Спрингер. ISBN 978-94-017-7513-7. ОКЛК  938890984.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  3. ^ Доэль, Клаус (25 августа 2013 г.). «Новый метод производства бумажного наполнителя и волокнистого материала». дои : 10.2172/1091089. ОСТИ  1091089.
  4. ^ Гиллик, Ти Джей (1 августа 1959). «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 (Ху) мужчину». Наука . 325 (5946): 1329. doi :10.1126/science.325_1329a. ПМИД  19745126.
  6. ^ Квавадзе, Э; Бар-Йосеф, О; Белфер-Коэн, А; Боаретто, Э; Джакели, Н; Мацкевич З.; Мешвелиани, Т (2009). «30 000-летние волокна дикого льна». Наука . 325 (5946): 1359. Бибкод : 2009Sci...325.1359K. дои : 10.1126/science.1175404. PMID  19745144. S2CID  206520793.
  7. ^ аб Фукуа, Майкл А.; Хо, Шаньшань; Ульвен, Чад А. (1 июля 2012 г.). «Композиты, армированные натуральным волокном». Обзоры полимеров . 52 (3): 259–320. дои : 10.1080/15583724.2012.705409. ISSN  1558-3724. S2CID  138171705.
  8. ^ Тодкар, Сантош (01 октября 2019 г.). «Обзор оценки механических свойств полимерных композитов, армированных волокном листьев ананаса (PALF)». Композиты Часть Б. 174 : 106927. doi : 10.1016/j.compositesb.2019.106927. hdl : 20.500.12010/19705 . ISSN  1359-8368. S2CID  189974174.
  9. ^ Саммерскейлс, Джон; Диссанаяке, Нилмини П.Дж.; Вирк, Амандип С.; Холл, Уэйн (01 октября 2010 г.). «Обзор лубяных волокон и их композитов. Часть 1 – Волокна как армирующие материалы» (PDF) . Композиты Часть А. 41 (10): 1329–1335. doi :10.1016/j.compositesa.2010.06.001. hdl : 10026.1/9928 .
  10. ^ abcdefghij Мейерс, Массачусетс; Чен, ПЮ (2014). Биологическое материаловедение . Соединенное Королевство: Издательство Кембриджского университета .
  11. ^ аб Ринаудо, Маргарита (1 июля 2006 г.). «Хитин и хитозан: свойства и применение». Прогресс в науке о полимерах . 31 (7): 603–632. doi :10.1016/j.progpolymsci.2006.06.001.
  12. ^ abcd Мейерс, Марк Андре; Чен, По-Ю; Лин, Альберт Ю-Мин; Секи, Ясуаки (1 января 2008 г.). «Биологические материалы: Структура и механические свойства». Прогресс в материаловедении . 53 (1): 1–206. doi :10.1016/j.pmatsci.2007.05.002.
  13. ^ Мейерс, Марк А.; Чен, По-Ю; Лопес, Мария И.; Секи, Ясуаки; Лин, Альберт Ю.М. (1 июля 2011 г.). «Биологические материалы: материаловедение». Журнал механического поведения биомедицинских материалов . Спецвыпуск по природным материалам / Доклады Третьей международной конференции по механике биоматериалов и тканей. 4 (5): 626–657. дои : 10.1016/j.jmbbm.2010.08.005. PMID  21565713. S2CID  34789958.
  14. ^ К., ФУНГ, Ю. (1 января 1981). БИОМЕХАНИКА: механические свойства живых тканей (1) . Спрингер. ISBN 978-1-4757-1752-5. ОКЛК  968439866.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  15. ^ Фратцл, Питер; Вайнкамер, Ричард (1 ноября 2007 г.). «Иерархические материалы природы». Прогресс в материаловедении . 52 (8): 1263–1334. дои : 10.1016/j.pmatsci.2007.06.001 . hdl : 11858/00-001M-0000-0015-5628-D .
  16. ^ Эрик Франк; Фолькер Баух; Фриц Шульце-Гебхардт; Карл-Хайнц Херлингер (2011). «Волокна, 1. Обзор». ЭНЦИКЛОПЕДИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ХИМИИ УЛЛМАННА . Вайли-ВЧ . дои : 10.1002/14356007.a10_451.pub2. ISBN 978-3-527-30673-2.
  17. ^ abc Хенг, Джерри YY; Пирс, Дункан Ф.; Тильманн, Франк; Лампке, Томас; Бисмарк, Александр (1 января 2007 г.). «Методы определения поверхностной энергии натуральных волокон: обзор». Композитные интерфейсы . 14 (7–9): 581–604. Бибкод : 2007ComIn..14..581H. дои : 10.1163/156855407782106492. ISSN  0927-6440. S2CID  97667541.
  18. ^ Раджеш, Муруган; Питчаймани, Джеярадж (2017). «Механические свойства плетеного композита из натуральной пряжи: сравнение с традиционным плетеным композитом из пряжи». Журнал бионической инженерии . 14 (1): 141–150. дои : 10.1016/s1672-6529(16)60385-2. S2CID  136362311.
  19. ^ Аб Цзи, Баохуа; Гао, Хуацзянь (2 июля 2010 г.). «Механические принципы биологических нанокомпозитов». Ежегодный обзор исследований материалов . 40 (1): 77–100. Бибкод : 2010AnRMS..40...77J. doi : 10.1146/annurev-matsci-070909-104424.
  20. ^ abcd Азизи Самир, Мой Ахмед Саид; Аллоин, Фанни; Дюфрен, Ален (март 2005 г.). «Обзор недавних исследований целлюлозных усов, их свойств и применения в области нанокомпозитов». Биомакромолекулы . 6 (2): 612–626. дои : 10.1021/bm0493685. ПМИД  15762621.
  21. ^ аб Моханти, А; Мисра, М; Хенрихсен, Г. (март 2000 г.). «Биоволокна, биоразлагаемые полимеры и биокомпозиты: обзор». Макромолекулярные материалы и инженерия . 276 : 1–24. doi :10.1002/(SICI)1439-2054(20000301)276:1<1::AID-MAME1>3.0.CO;2-W.
  22. ^ аб Теменов, Дж.; Микос, А (2008). Биоматериалы: пересечение биологии и материаловедения . Пирсон/Прентис Холл.

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

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с натуральными волокнами .