Naturfaser
Industrielle Nutzung
Industriell wertvoll sind vier tierische Fasern, Wolle, Seide, Kamelhaar und Angora, sowie vier pflanzliche Fasern, Baumwolle, Flachs, Hanf und Jute. In Bezug auf Produktionsumfang und Verwendung dominiert Baumwolle für Textilien.
NaturfaserverbundstoffeBearbeiten
Naturfasern werden auch in Verbundwerkstoffen verwendet, ähnlich wie Kunst- oder Glasfasern. Diese Verbundwerkstoffe, Biokomposite genannt, bestehen aus einer Naturfaser in einer Matrix aus synthetischen Polymeren. Einer der ersten biofaserverstärkten Kunststoffe, der verwendet wurde, war eine Zellulosefaser in Phenolharz im Jahr 1908. Die Verwendung umfasst Anwendungen, bei denen die Energieabsorption wichtig ist, wie z. B. Isolierung, lärmabsorbierende Platten oder klappbare Bereiche in Autos.
Naturfasern können verschiedene Vorteile gegenüber synthetischen Verstärkungsfasern haben. Vor allem sind sie biologisch abbaubar und erneuerbar. Außerdem haben sie oft eine geringere Dichte und niedrigere Verarbeitungskosten als synthetische Materialien. Zu den Konstruktionsproblemen bei naturfaserverstärkten Verbundwerkstoffen gehören die geringe Festigkeit (Naturfasern sind nicht so stark wie Glasfasern) und Schwierigkeiten bei der tatsächlichen Verbindung von Fasern und Matrix. Hydrophobe Polymermatrizen bieten keine ausreichende Haftung für hydrophile Fasern.
NanocompositesEdit
Nanoverbundwerkstoffe sind aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften erwünscht. Wenn sich die Füllstoffe in einem Verbundwerkstoff auf der Nanometer-Längenskala befinden, ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Füllstoffs hoch, was die Volumeneigenschaften des Verbundwerkstoffs im Vergleich zu herkömmlichen Verbundwerkstoffen stärker beeinflusst. Die Eigenschaften dieser nanoskaligen Elemente unterscheiden sich deutlich von denen der Hauptbestandteile.
Im Hinblick auf Naturfasern sind einige der besten Beispiele für Nanokomposite in der Biologie zu finden. Knochen, Abalonenschalen, Perlmutt und Zahnschmelz sind allesamt Nanokomposite. Seit 2010 weisen die meisten synthetischen Polymer-Nanokomposite im Vergleich zu biologischen Nanokompositen eine geringere Zähigkeit und schlechtere mechanische Eigenschaften auf. Es gibt zwar vollständig synthetische Nanokomposite, aber es werden auch Biopolymere in Nanogröße in synthetischen Matrizen getestet. Mehrere Arten von Fasern auf Proteinbasis in Nanogröße werden in Nanokompositen verwendet. Dazu gehören Kollagen, Zellulose, Chitin und Tunican. Diese Strukturproteine müssen vor der Verwendung in Verbundwerkstoffen verarbeitet werden.
Zur Veranschaulichung der Cellulose werden die teilkristallinen Mikrofibrillen im amorphen Bereich geschert, wodurch mikrokristalline Cellulose (MCC) entsteht. Diese kleinen, kristallinen Zellulosefibrillen werden an dieser Stelle als Whisker bezeichnet und können einen Durchmesser von 2 bis 20 nm haben, wobei die Formen von kugelförmig bis zylindrisch reichen. Whisker aus Kollagen, Chitin und Zellulose werden zur Herstellung von biologischen Nanokompositen verwendet. Die Matrix dieser Verbundwerkstoffe besteht in der Regel aus hydrophoben synthetischen Polymeren wie Polyethylen, Polyvinylchlorid und Copolymeren aus Polystyrol und Polyacrylat.
Traditionell ist in der Verbundwerkstoffwissenschaft eine starke Grenzfläche zwischen der Matrix und dem Füllstoff erforderlich, um günstige mechanische Eigenschaften zu erzielen. Ist dies nicht der Fall, neigen die Phasen dazu, sich entlang der schwachen Grenzfläche zu trennen, was zu sehr schlechten mechanischen Eigenschaften führt. In einem MCC-Verbundwerkstoff ist dies jedoch nicht der Fall. Wenn die Wechselwirkung zwischen Füllstoff und Matrix stärker ist als die Füllstoff-Füllstoff-Wechselwirkung, nimmt die mechanische Festigkeit des Verbundwerkstoffs merklich ab.
Schwierigkeiten bei Naturfaser-Nanoverbundwerkstoffen ergeben sich aus der Dispersität und der Tendenz kleiner Fasern, in der Matrix zu aggregieren. Aufgrund des großen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen neigen die Fasern stärker zur Aggregation als bei mikroskaligen Verbundwerkstoffen. Außerdem ist die sekundäre Verarbeitung von Kollagenquellen, um Kollagen-Mikrofibrillen in ausreichender Reinheit zu erhalten, mit zusätzlichen Kosten und Herausforderungen verbunden, wenn es darum geht, ein tragfähiges Nanokomposit auf Zellulose- oder anderer Füllstoffbasis herzustellen.
Biomaterial und BiokompatibilitätBearbeiten
Naturfasern erweisen sich oft als vielversprechende Biomaterialien für medizinische Anwendungen. Chitin ist besonders erwähnenswert und wurde bereits für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Materialien auf Chitinbasis wurden auch verwendet, um industrielle Schadstoffe aus dem Wasser zu entfernen, zu Fasern und Folien verarbeitet und als Biosensoren in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Chitin wird auch in verschiedenen medizinischen Anwendungen eingesetzt. Es wurde als Knochenfüllmaterial für die Geweberegeneration, als Arzneimittelträger und -hilfsstoff sowie als Antitumormittel eingesetzt. Das Einbringen fremder Materialien in den Körper löst häufig eine Immunreaktion aus, die je nach Reaktion des Körpers auf das Material eine Reihe von positiven oder negativen Folgen haben kann. Die Implantation von etwas, das aus natürlich synthetisierten Proteinen besteht, wie z. B. ein Implantat auf Keratinbasis, hat das Potenzial, vom Körper als natürliches Gewebe erkannt zu werden. Dies kann in seltenen Fällen entweder zu einer Integration führen, bei der die Struktur des Implantats das Nachwachsen von Gewebe fördert, wobei das Implantat einen Überbau bildet, oder zu einer Degradation des Implantats, bei der die Rückgrate der Proteine vom Körper zur Spaltung erkannt werden.