Натуральное волокно
Часть серии на |
Волокно |
---|
![]() |
Натуральные волокна |
Человеческие волокна |
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. | ![]() |
Листовое волокно | Волокна, собранные из клеток листа, известны как листовые волокна, например, банан, [ 7 ] ананас (PALF), [ 8 ] и т. д. | ![]() |
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 ] | ![]() |
Фруктовое волокно | Волокна, собранные из плода растения, например, кокосовое волокно ( COIR ). | ![]() |
Стебель волокна | Волокна из стеблей растений, например, соломинки из пшеницы , риса , ячменя, бамбука и соломы . [ 7 ] | ![]() |
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 .
Хитин
[ редактировать ]
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 ]
Хитозан
[ редактировать ]
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.
Кератин
[ редактировать ]
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 ]
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 ]
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 ]- Коир
- Волокно
- Международный год натуральных волокон 2009
- Шелк -паук
- Растительные ресурсы тропической Африки
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ 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 ) - ^ Doelle, Klaus (2013-08-25). «Новый метод производства для бумажного наполнителя и материала волокна» . doi : 10.2172/1091089 . Ости 1091089 .
- ^ 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 .
- ^ Balter, M (2009). «Одежда делает (Ху) человека». Наука . 325 (5946): 1329. DOI : 10.1126/Science.325_1329A . PMID 19745126 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 ) - ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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
Внешние ссылки
[ редактировать ]