Természetes szálak
Ipari felhasználásSzerkesztés
Az ipari értéket négy állati rost, a gyapjú, a selyem, a teveszőr és az angóra, valamint négy növényi rost, a pamut, a len, a kender és a juta képviseli. A termelés és a felhasználás mértékét tekintve a pamut a textiliparban domináns.
Természetes szálas kompozitokSzerkesztés
A természetes szálakat is használják kompozit anyagokban, hasonlóan a szintetikus vagy üvegszálakhoz. Ezek a biokompozitoknak nevezett kompozitok természetes szálak szintetikus polimerek mátrixában. Az egyik első használatban lévő bioszál-erősítésű műanyag 1908-ban fenolban lévő cellulózszál volt. A felhasználás olyan alkalmazásokra terjed ki, ahol fontos az energiaelnyelés, például szigetelés, zajelnyelő panelek vagy összecsukható területek az autókban.
A természetes szálaknak különböző előnyei lehetnek a szintetikus erősítő szálakkal szemben. A legfontosabb, hogy biológiailag lebomlóak és megújulóak. Emellett gyakran alacsony a sűrűségük és alacsonyabbak a feldolgozási költségeik, mint a szintetikus anyagoknak. A természetes szálerősítésű kompozitok tervezési problémái közé tartozik a gyenge szilárdság (a természetes szálak nem olyan erősek, mint az üvegszálak) és a szálak és a mátrix tényleges összekapcsolásának nehézségei. A hidrofób polimer mátrixok nem nyújtanak elegendő tapadást a hidrofil szálak számára.
Nanokompozitok szerkesztése
A nanokompozitok mechanikai tulajdonságaik miatt kívánatosak. Amikor a kompozitban lévő töltőanyagok nanométeres hosszskálán vannak, a töltőanyag felület/térfogat aránya nagy, ami a hagyományos kompozitokhoz képest jobban befolyásolja a kompozit ömlesztett tulajdonságait. Ezeknek a nanoméretű elemeknek a tulajdonságai jelentősen eltérnek az ömlesztett összetevőjéhez képest.
A természetes szálak tekintetében a nanokompozitok legjobb példái a biológiában jelennek meg. A csont, az abalone héja, a gyöngyház és a fogzománc mind nanokompozitok. 2010 óta a legtöbb szintetikus polimer nanokompozit rosszabb szívósságot és mechanikai tulajdonságokat mutat, mint a biológiai nanokompozitok. Léteznek teljesen szintetikus nanokompozitok, azonban nanoszintű biopolimereket is vizsgálnak szintetikus mátrixokban. A nanokompozitokban többféle fehérjealapú, nanoméretű rostot használnak. Ezek közé tartozik a kollagén, a cellulóz, a kitin és a tunikán. Ezeket a szerkezeti fehérjéket a kompozitokban való felhasználás előtt fel kell dolgozni.
A cellulóz példájával élve, a félkristályos mikrofibrillákat az amorf régióban nyírják, így mikrokristályos cellulóz (MCC) keletkezik. Ezeket az apró, kristályos cellulózfibrillákat ezen a ponton átminősítik whiskernek, és átmérőjük 2-20 nm lehet, alakjuk pedig a gömbölydedtől a hengeresig terjedhet. A kollagénből, kitinből és cellulózból készült whiskereket mind felhasználták biológiai nanokompozitok előállítására. E kompozitok mátrixa általában hidrofób szintetikus polimerek, például polietilén és polivinil-klorid, valamint polisztirol és poliakrilát kopolimerek.
A kompozitok tudományában hagyományosan a mátrix és a töltőanyag közötti erős határfelületre van szükség a kedvező mechanikai tulajdonságok eléréséhez. Ha ez nem így van, a fázisok hajlamosak szétválni a gyenge határfelület mentén, ami nagyon rossz mechanikai tulajdonságokat eredményez. Egy MCC kompozitban azonban ez nem így van, ha a töltőanyag és a mátrix közötti kölcsönhatás erősebb, mint a töltőanyag-töltőanyag kölcsönhatás, akkor a kompozit mechanikai szilárdsága érezhetően csökken.
A természetes szálas nanokompozitok nehézségei a diszperzitásból és a kis szálaknak a mátrixban való aggregálódási hajlamából adódnak. A nagy felület/térfogat arány miatt a szálak hajlamosak aggregálódni, még inkább, mint a mikroméretű kompozitokban. Emellett a kollagénforrások másodlagos feldolgozása a megfelelő tisztaságú kollagén mikrofibrillumok kinyerése érdekében bizonyos fokú költséget és kihívást jelent a teherbíró cellulóz vagy más töltőanyag alapú nanokompozitok létrehozásában.
Biomaterial and biocompatibilityEdit
A természetes szálak gyakran ígéretesnek tűnnek bioanyagként az orvosi alkalmazásokban. A kitin különösen figyelemre méltó, és számos felhasználási módban beépítették már. A kitin alapú anyagokat ipari szennyezőanyagok vízből való eltávolítására is használták, szálakká és filmekké dolgozták fel, és bioérzékelőként használták az élelmiszeriparban. A kitint számos orvosi alkalmazásban is felhasználták. Beépítették csonttöltő anyagként a szövetek regenerálására, gyógyszerhordozóként és segédanyagként, valamint tumorellenes szerként. Az idegen anyagok bejuttatása a szervezetbe gyakran vált ki immunválaszt, amelynek számos pozitív vagy negatív következménye lehet, attól függően, hogy a szervezet hogyan reagál az anyagra. A természetesen szintetizált fehérjékből készült valaminek, például egy keratin alapú implantátumnak a beültetése magában hordozza annak lehetőségét, hogy a szervezet természetes szövetként ismerje fel. Ez vagy integrációhoz vezethet ritka esetekben, amikor az implantátum szerkezete elősegíti a szövetek újranövekedését az implantátum felépítményével, vagy az implantátum degradációjához, amikor a fehérjék gerincét a szervezet felismeri a hasadásra.