Jump to content

Натуральное волокно

(Перенаправлено из натуральной ткани )

Природные волокна или природные волокна (см. Различия орфографии ) представляют собой волокна , которые производятся геологическими процессами , или из тела растений или животных . [ 1 ] Они могут использоваться в качестве компонента композитных материалов, где ориентация волокон влияет на свойства. [ 2 ] Естественные волокна также могут быть соткнуты в листы, чтобы сделать бумагу или войлоку . [ 3 ] [ 4 ]

Самым ранним доказательством людей, использующих волокна, является открытие шерсти и окрашенных льна волокнами, обнаруженными в доисторической пещере в Республике Джорджия которые датируются 36 000 п.н. , [ 5 ] [ 6 ] Натуральные волокна могут использоваться для высокотехнологичных применений, таких как композитные детали для автомобилей и медикаментов. По сравнению с композитами, усиленными стеклянными волокнами , композиты с натуральными волокнами имеют такие преимущества, как более низкая плотность, лучшая теплоизоляция и уменьшение раздражения кожи. Кроме того, в отличие от стеклянных волокон, натуральные волокна могут быть разрушены бактериями, как только они больше не используются.

Натуральные волокна - это хорошие водопоглощение и можно найти в различных текстурах. Например, хлопковые волокна, изготовленные из хлопкового растения, производят ткани, которые являются легкими в весе, мягкими по текстуре и могут быть сделаны различными размерами и цветами. Одежда, изготовленная из натуральных волокон, таких как хлопок, часто предпочитают одежду из синтетических волокон людьми, живущими в горячем и влажном климате. [ Цитация необходима ]

Растения волокна

[ редактировать ]
Категория Типы Изображение
Семенное волокно Волокна, собранные из семян различных растений, известны как семенные волокна. Наиболее актуальным примером является хлопок.
Хлопок растут на растении
Cotton growing on the plant
Хлопок растут на растении
Листовое волокно Волокна, собранные из клеток листа, известны как листовые волокна, например, банан, [ 7 ] ананас (PALF), [ 8 ] и т. д.
Абака банановые волокна сушка
Abacá banana leaf fibres drying
Абака банановые волокна сушка
Баст волокна Баст -волокна собираются со слоев внешних клеток стебля растения. Эти волокна используются для прочной пряжи, ткани, упаковки и бумаги. Некоторые примеры - льна , джут , кенаф , промышленная конопля , Рами , Раттан и Виноградные волокна. [ 9 ]
Поле джута
Фруктовое волокно Волокна, собранные из плода растения, например, кокосовое волокно ( COIR ).
Волокно
Coir fibre
Кокосовое волокно (койр)
Стебель волокна Волокна из стеблей растений, например, соломинки из пшеницы , риса , ячменя, бамбука и соломы . [ 7 ] Бамбуковый лес

Животные волокна

[ редактировать ]

Животные волокна обычно составляют белки, такие как коллаген , кератин и фиброин ; Примеры включают шелк , сухожилие , шерсть , Catgut , Angora , Mohair и Alpaca .

  • Животные волосы (шерсть или волосы): клетчатка или шерсть, взятые у животных или волосатых млекопитающих. Например, овечья шерсть, козьи волосы ( кашемир , мохер ), волосы альпаки , волосы лошадей и т. Д.
  • Шелковое волокно: волокно, секретируемое железами (часто расположенными возле рта) насекомых во время приготовления коконов .
Химическая структура цепочек хитинов

в мире Читин является вторым по величине природным полимером , а коллаген является первым. Это «линейный полисахарид β- (1-4) -2-ацетамидо-2-дезокси-D-глюкоза». [ 10 ] Хитин очень кристаллический и обычно состоит из цепей, организованных в β -листе. Из -за своей высокой кристалличности и химической структуры он нерастворим во многих растворителях. Он также имеет низкую токсичность в организме и инертный в кишечнике. Хитин также обладает антибактериальными свойствами. [ 11 ]

Хитин образует кристаллы, которые делают фибриллы, которые окружены белками. Эти фибриллы могут объединить, чтобы сделать более крупные волокна, которые способствуют иерархической структуре многих биологических материалов. [ 12 ] Эти фибриллы могут образовывать случайно ориентированные сети, которые обеспечивают механическую прочность органического слоя в различных биологических материалах. [ 13 ]

Читин обеспечивает защиту и структурную поддержку многим живым организмам. Он составляет клеточные стенки грибов и дрожжей, раковины моллюсков, экзоскелетов насекомых и членистоногих . У раковинов и экзоскелетов волокна хитина способствуют их иерархической структуре. [ 10 ]

В природе чистый хитин (100% ацетилирование ) не существует. Вместо этого он существует как сополимер с деацетилированным производным читина, хитозан. Когда ацетилизированный состав сополимера превышает 50% ацетилирован, это хитин. [ 12 ] Этот сополимер хитина и хитозана является случайным или блочным сополимером. [ 10 ]

Химическая структура хитозанской цепи

Хитозан является деацетилированным производным хитина. Когда ацетилированный состав сополимера ниже 50%, он хитозан. [ 12 ] Хитозан представляет собой полукристаллический «полимер β- (1-4) -2-амино-2-дезокси-D-глюкоза». [ 10 ] Одно отличие между хитином и хитозаном заключается в том, что хитозан растворим в кислых водных растворах. Хитозан легче обработать этот хитин, но он менее стабилен, потому что он более гидрофильный и обладает чувствительностью к рН. Из -за простоты обработки хитозан используется в биомедицинских приложениях. [ 11 ]

Коллаген

[ редактировать ]

Коллаген является структурным белком, который часто называют «сталью биологических материалов». [ 14 ] Существует несколько типов коллагена: тип I (содержит кожу, сухожилия и связки, сосудистые органы и органы, а также стенки зубов и костей и артерии); Тип II (компонент в хряще); Тип III (часто встречается в ретикулярных волокнах ); и другие. Коллаген имеет иерархическую структуру, образуя тройные спирали, фибриллы и волокна. Коллаген - это семейство белка, которое поддерживает и укрепляет многие ткани в организме.

Диаграмма, показывающая создание спиральной структуры альфа -кератинов.

Кератин - это структурный белок, расположенный на твердых поверхностях во многих позвоночных. Кератин имеет две формы, α-кератин и β-кератин , которые обнаруживаются в разных классах хордовых. Конвенция об именах для этих кератинов следует, что для белковых структур: альфа- кератин является спиральным , а бета- кератин похож на лист. Альфа -кератин встречается в волосах млекопитающих , кожи, ногтях, рогах и перьях, в то время как бета -кератин можно найти у птичьих и рептилий в масштабах, перьях и клювах. Две разные структуры кератина обладают разнородными механическими свойствами, как видно в их разнородных приложениях. Относительное выравнивание кератиновых фибриллов значительно влияет на механические свойства. В человеческих волосах филаменты альфа -кератина высоко выровнены, придавая прочность на растяжение приблизительно 200 МПа. Эта прочность на растяжение на порядок выше, чем человеческие ногти (20 МПа), потому что нити кератиновых волос человека более выровнены. [ 10 ]

Характеристики

[ редактировать ]

Натуральные волокна, как правило, имеют пониженную жесткость и прочность по сравнению с синтетическими волокнами. [ 10 ]

Растягивающие механические свойства натуральных волокон [ 10 ]
Материал Волокно Эластичный модуль (GPA) Сила (МПа)
Сухожилие Коллаген 1.50 150
Кость Коллаген 20.0 160
Грязный краб экзоскелет (влажный) Хитин 0.48 30
Креветка экзоскелет (влажный) Хитин 0.55 28
Бычий копыт Кератин 0.40 16
Шерсть Кератин 0.50 200

Свойства также уменьшаются с возрастом волокна. Младшие волокна, как правило, сильнее и упругие, чем пожилые. [ 10 ] Многие природные волокна демонстрируют чувствительность скорости деформации из -за их вязкоупругой природы. [ 15 ] Кость содержит коллаген и демонстрирует чувствительность скорости деформации тем, что жесткость увеличивается с скоростью деформации, также известной как упрочнение деформации . Шелк -паук имеет твердые и упругие области, которые вместе способствуют его чувствительности к скорости деформации, это также приводит к тому, что шелк также демонстрирует упрочнение деформации. [ 12 ] Свойства естественных волокон также зависят от содержания влаги в волокне. [ 10 ]

Влажная зависимость

[ редактировать ]

Наличие воды играет решающую роль в механическом поведении природных волокон. Растения зависят от воды, чтобы помочь им расти. Если влажность была слишком высокой, то это приведет к созданию растений и бактерий. Влажность также увеличит количество вредителей вокруг растений. Гидратированные биополимеры обычно имеют повышенную пластичность и прочность. Вода играет роль пластификатора , небольшого молекулы, ослабляющего проход полимерных цепей и при этом увеличивая пластичность и прочность. При использовании натуральных волокон в приложениях за пределами их родного использования необходимо учитывать исходный уровень гидратации. Например, при гидратировании модуль коллагена Янга уменьшается с 3,26 до 0,6 ГПа и становится более пластичным и жестким. Кроме того, плотность коллагена уменьшается с 1,34 до 1,18 г/см. 3 . [ 10 ]

Приложения

[ редактировать ]
века Плетение льня -го 19 Знание

Промышленное использование

[ редактировать ]

Промышленная стоимость составляет четыре волокна животных: шерсть, шелк, волосы верблюда и ангора, а также четыре растения: хлопок, льняной, конопля и джут. Доминирующим с точки зрения масштаба производства и использования является хлопок для текстиля. [ 16 ]

Натуральные волокнистые композиты

[ редактировать ]

Натуральные волокна также используются в композитных материалах, очень похожие на синтетические или стеклянные волокна. Эти композиты, называемые биокомпозитами, являются естественным волокном в матрице синтетических полимеров. [ 1 ] Одним из первых пластмассовых пластмассов, используемых биофилками, было целлюлозное волокно в фенольных условиях в 1908 году. [ 1 ] Использование включает в себя приложения, в которых важно поглощение энергии, такие как изоляция, панели, поглощающие шум или сложенные участки в автомобилях. [ 17 ]

Природные волокна могут иметь разные преимущества по сравнению с синтетическими усиливающими волокнами. В частности, они являются биоразлагаемыми и возобновляемыми. Кроме того, они часто имеют низкую плотность и более низкие затраты на обработку, чем синтетические материалы. [ 17 ] [ 18 ] Проблемы дизайна с натуральными клетчаткой композитами включают плохую прочность (натуральные волокна не так сильны, как стеклянные волокна) и трудности с фактической связью волокон и матрицей. Гидрофобные полимерные матрицы обеспечивают недостаточную адгезию для гидрофильных волокон. [ 17 ]

Нанокомпозиты

[ редактировать ]

Нанокомпозиты желательны для их механических свойств. Когда наполнители в композите находятся в шкале длины нанометра , соотношение 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 объемной компоненты.

Что касается естественных волокон, то в биологии появляются некоторые из лучших примеров нанокомпозитов. Кость , раковина , новая и зубная эмаль - все нанокомпозиты. По состоянию на 2010 год большинство синтетических полимерных нанокомпозитов демонстрируют нижнюю прочность и механические свойства по сравнению с биологическими нанокомпозитами. [ 19 ] Полностью синтетические нанокомпозиты действительно существуют, однако наноразмерные биополимеры также испытываются в синтетических матрицах. Несколько типов белковых наносированных волокон используются в нанокомпозитах. К ним относятся коллаген, целлюлоза, хитин и туника. [ 20 ] Эти структурные белки должны быть обработаны перед использованием в композитах.

Чтобы использовать целлюлозу в качестве примера, полукристаллические микрофибрилл сдвигаются в аморфной области, что приводит к микрокристаллической целлюлозе (MCC). Эти небольшие кристаллические фибриллы целлюлозы в этих точках реклассифицированы как усы и могут составлять от 2 до 20 нм в диаметре с формами от сферической до цилиндрической. Усы коллагена, хитина и целлюлозы используются для производства биологических нанокомпозитов. Матрицей этих композитов обычно представляют собой гидрофобные синтетические полимеры, такие как полиэтилен, поливинилхлорид и сополимеры полистирола и полиакрилата. [ 20 ] [ 19 ]

Традиционно в составной науке для достижения благоприятных механических свойств требуется сильный интерфейс между матрицей и наполнителем. Если это не так, фазы, как правило, разделяются вдоль слабых раздела и создают очень плохие механические свойства. Однако в композите MCC это не так, если взаимодействие между наполнителем и матрицей сильнее, чем взаимодействие наполнителя наполнителя, механическая прочность композита заметно уменьшается. [ 20 ]

Трудности в нанокомпозитах с естественным волокном возникают из -за дисперсии и тенденции к малым волокнам в матрице. Из-за высокой площади поверхности к объему волокна имеют тенденцию к агрегации, в большей степени, чем в микромасштабных композитах. Кроме того, вторичная обработка источников коллагена для получения достаточной чистоты коллагеновых микрофибриллов добавляет степень затрат и вызов к созданию целлюлозы нагрузки или другого нанокомпозита на основе наполнителя. [ 20 ]

Биоматериал и биосовместимость

[ редактировать ]

Природные волокна часто проявляют перспективу как биоматериалы в медицинских приложениях. Читин примечатель, в частности, и был включен в различные применения. Материалы, основанные на хитине, также использовались для удаления промышленных загрязняющих веществ из воды, обработанных в волокна и пленки и использовались в качестве биосенсоров в пищевой промышленности. [ 21 ] Хитин также использовался несколько медицинских применений. Он был включен в качестве материала для наполнения костей для регенерации тканей, лекарственного средства и наполнения , а также как противоопухолевого агента. [ 22 ] Вставка иностранных материалов в организм часто запускает иммунный ответ, который может иметь множество положительных или отрицательных результатов в зависимости от реакции тел на материал. Имплантирование чего -то, сделанного из естественных синтезированных белков, таких как имплантат на основе кератина, может быть распознаваться натуральной тканью организмом. Это может привести к интеграции в редких случаях, когда структура имплантата способствует отрастанию ткани с имплантатом, образующим надстройку или деградацию имплантата, в котором основы белков распознаются для расщепления организмом. [ 21 ] [ 22 ]

Смотрите также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а беременный в Джон, Майя Джейкоб; Томас, Сабу (2008-02-08). «Биофибрики и биокомпозиты». Углеводные полимеры . 71 (3): 343–364. doi : 10.1016/j.carbpol.2007.05.040 .
  2. ^ Sousa, Fangueiro, Raul Manuel Esteves de; Sohel, Rana (2016-02-11). Природные волокна: достижения в области науки и техники в отношении промышленного применения: от науки к рынку . Спрингер. ISBN  978-94-017-7513-7 Полем OCLC   938890984 . {{cite book}}: Cs1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. ^ Doelle, Klaus (2013-08-25). «Новый метод производства для бумажного наполнителя и материала волокна» . doi : 10.2172/1091089 . Ости   1091089 .
  4. ^ Гиллик, TJ (1959-08-01). «Естественные и синтетические волокнистые фельты». Промышленная и инженерная химия . 51 (8): 904–907. doi : 10.1021/IE50596A025 . ISSN   0019-7866 .
  5. ^ Balter, M (2009). «Одежда делает (Ху) человека». Наука . 325 (5946): 1329. DOI : 10.1126/Science.325_1329A . PMID   19745126 .
  6. ^ Kvavadze, E; Bar-Yosef, O; Белфер-Коэн, а; Boaretto, E; Jakeli, n; Matskevich, z; Meshveliani, T (2009). «30 000-летние волокна дикого льна» . Наука . 325 (5946): 1359. Bibcode : 2009Sci ... 325.1359K . doi : 10.1126/science.1175404 . PMID   19745144 . S2CID   206520793 .
  7. ^ Jump up to: а беременный Fuqua, Michael A.; Хуо, Шаншан; Ульвен, Чад А. (2012-07-01). «Натуральные волокно -армированные композиты». Полимерные обзоры . 52 (3): 259–320. doi : 10.1080/15583724.2012.705409 . ISSN   1558-3724 . S2CID   138171705 .
  8. ^ Тодкар, Сантош (2019-10-01). «Обзор по механическим свойствам оценки ананасовых листовых волокон (PALF), которые усиленные полимерными композитами». Композиты часть б . 174 : 106927. DOI : 10.1016/j.compositesb.2019.106927 . HDL : 20.500.12010/19705 . ISSN   1359-8368 . S2CID   189974174 .
  9. ^ Саммерскалес, Джон; Dissanayake, Nilmini PJ; Virk, Amandeep S.; Холл, Уэйн (2010-10-01). «Обзор волокон и их композитов. Часть 1 - волокна в качестве подкрепления» (PDF) . Композиты Часть а . 41 (10): 1329–1335. doi : 10.1016/j.compositesa.2010.06.001 . HDL : 10026.1/9928 .
  10. ^ Jump up to: а беременный в дюймовый и фон глин час я Дж Мейерс, Массачусетс; Чен, П.Ю. (2014). Биологическая материаловая наука . Великобритания: издательство Кембриджского университета .
  11. ^ Jump up to: а беременный Rinaudo, Marguerite (2006-07-01). «Хитин и хитозан: свойства и приложения». Прогресс в полимерной науке . 31 (7): 603–632. doi : 10.1016/j.progpolymsci.2006.06.001 .
  12. ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Мейерс, Марк Андре; Чен, По-Ю; Лин, Альберт Ю-Мин; Seki, Yasuaki (2008-01-01). «Биологические материалы: структура и механические свойства». Прогресс в области материаловедения . 53 (1): 1–206. doi : 10.1016/j.pmatsci.2007.05.002 .
  13. ^ Мейерс, Марк А.; Чен, По-Ю; Лопес, Мария I.; Секи, Ясуаки; Лин, Альберт Ю.М. (2011-07-01). «Биологические материалы: подход материаловедения». Журнал механического поведения биомедицинских материалов . Специальный выпуск по натуральным материалам / документам Третьей международной конференции по механике биоматериалов и тканей. 4 (5): 626–657. doi : 10.1016/j.jmbbm.2010.08.005 . PMID   21565713 . S2CID   34789958 .
  14. ^ C., Fung, Y. (1981-01-01). Биомеханика: механические свойства живых тканей (1) . Спрингер. ISBN  978-1-4757-1752-5 Полем OCLC   968439866 . {{cite book}}: Cs1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  15. ^ Фратцл, Питер; Weinkamer, Richard (2007-11-01). «Иерархические материалы природы» . Прогресс в области материаловедения . 52 (8): 1263–1334. doi : 10.1016/j.pmatsci.2007.06.001 . HDL : 11858/00-001M-0000-0015-5628-D .
  16. ^ Эрик Франк; Volker Belly; Фриц Шульцегебхардт; Карл-Хейнц Херлингер (2011). «Волокна, 1. Обследование». Энциклопедия промышленной химии Уллмана . Wiley-Vch . Doi : 10.1002/14356007.a10_451.pub2 . ISBN  978-3-527-30673-2 .
  17. ^ Jump up to: а беременный в Хенг, Джерри Й.Ю; Pearse, Duncan F.; Тильманн, Фрэнк; Лампке, Томас; Бисмарк, Александр (2007-01-01). «Методы для определения поверхностных энергий натуральных волокон: обзор». Составные интерфейсы . 14 (7–9): 581–604. Bibcode : 2007comin..14..581h . doi : 10.1163/156855407782106492 . ISSN   0927-6440 . S2CID   97667541 .
  18. ^ Раджеш, Муруган; Pitchaimani, Jeyaraj (2017). «Механические свойства натурального волокна плетеных пряжи составной композит: сравнение с обычной композитной пряжей». Журнал Bionic Engineering . 14 (1): 141–150. doi : 10.1016/s1672-6529 (16) 60385-2 . S2CID   136362311 .
  19. ^ Jump up to: а беременный Джи, Баохуа; Gao, Huajian (2010-07-02). «Механические принципы биологических нанокомпозитов». Ежегодный обзор исследований материалов . 40 (1): 77–100. Bibcode : 2010anrms..40 ... 77J . doi : 10.1146/annurev-matsci-070909-104424 .
  20. ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Азизи Самир, сказал мой Ахмед; Alloin, Fannie; Дюфрес, Ален (март 2005 г.). «Обзор недавних исследований целлюлозных усов, их свойств и их применения в нанокомпозитном поле». Биомакромолекулы . 6 (2): 612–626. doi : 10.1021/bm0493685 . PMID   15762621 .
  21. ^ Jump up to: а беременный Моханти, а; Мисра, м; Хенрихсен, G (март 2000 г.). «Биофибры, 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. ^ Jump up to: а беременный Temenoff, J.; Mikos, A (2008). Биоматериалы: пересечение биологии и материаловедения . Пирсон/Прентис Холл.

23. Куйваними, Хелена и Джерард Трамп. «Коллаген типа III (COL3A1): структура гена и белка, распределение тканей и связанные с ними заболевания». Ген том. 707 (2019): 151-171. doi: 10.1016/j.gene.2019.05.003

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 623d60521acefd90658398e62a1322a7__1711575900
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/62/a7/623d60521acefd90658398e62a1322a7.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Natural fiber - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)