Natuurlijke vezel
Industrieel gebruikEdit
Van industriële waarde zijn vier dierlijke vezels, wol, zijde, kameelhaar, en angora, alsmede vier plantaardige vezels, katoen, vlas, hennep, en jute. Dominant in termen van schaal van productie en gebruik is katoen voor textiel.
NatuurvezelcomposietenEdit
Natuurvezels worden ook gebruikt in composietmaterialen, net als synthetische of glasvezels. Deze composieten, biocomposieten genoemd, bestaan uit een natuurlijke vezel in een matrix van synthetische polymeren. Een van de eerste met biovezels versterkte kunststoffen die in gebruik werden genomen, was een cellulosevezel in fenol in 1908. Toepassingen zijn onder meer toepassingen waarbij energie-absorptie belangrijk is, zoals isolatie, geluidsabsorberende panelen, of inklapbare delen in auto’s.
Natuurlijke vezels kunnen verschillende voordelen hebben ten opzichte van synthetische versterkende vezels. Ze zijn met name biologisch afbreekbaar en hernieuwbaar. Bovendien hebben ze vaak een lage dichtheid en lagere verwerkingskosten dan synthetische materialen. Bij het ontwerp van met natuurlijke vezels versterkte composieten zijn er problemen met de sterkte (natuurlijke vezels zijn niet zo sterk als glasvezels) en met het daadwerkelijk hechten van de vezels en de matrix. Hydrofobe polymeermatrices bieden onvoldoende hechting voor hydrofiele vezels.
NanocomposietenEdit
Nanocomposieten zijn wenselijk vanwege hun mechanische eigenschappen. Wanneer vulstoffen in een composiet zich op de nanometer lengteschaal bevinden, is de oppervlakte-volumeverhouding van het vulmateriaal hoog, wat de bulkeigenschappen van de composiet meer beïnvloedt in vergelijking met traditionele composieten. De eigenschappen van deze elementen op nanoschaal zijn duidelijk anders dan die van het bulkbestanddeel.
In verband met natuurlijke vezels komen enkele van de beste voorbeelden van nanocomposieten voor in de biologie. Bot, abaloneenschaal, parelmoer en tandglazuur zijn allemaal nanocomposieten. In 2010 vertoonden de meeste synthetische polymeer-nanocomposieten een inferieure taaiheid en mechanische eigenschappen in vergelijking met biologische nanocomposieten. Er bestaan volledig synthetische nanocomposieten, maar er worden ook nanogrote biopolymeren getest in synthetische matrices. In nanocomposieten worden verschillende soorten op eiwit gebaseerde vezels op nanometerschaal gebruikt. Hiertoe behoren collageen, cellulose, chitine en tunican. Deze structurele eiwitten moeten worden verwerkt voordat ze in composieten worden gebruikt.
Om cellulose als voorbeeld te nemen: semikristallijne microfibrillen worden geschoren in het amorfe gebied, waardoor microkristallijne cellulose (MCC) ontstaat. Deze kleine, kristallijne cellulosefibrillen worden op deze punten geclassificeerd als een whisker en kunnen 2 tot 20 nm in diameter zijn met vormen variërend van bolvormig tot cilindrisch. Snorhaar van collageen, chitine en cellulose zijn allemaal gebruikt om biologische nanocomposieten te maken. De matrix van deze composieten zijn gewoonlijk hydrofobe synthetische polymeren zoals polyethyleen, en polyvinylchloride en copolymeren van polystyreen en polyacrylaat.
Traditioneel in de composietwetenschap is een sterke interface tussen de matrix en de vulstof vereist om gunstige mechanische eigenschappen te bereiken. Als dit niet het geval is, hebben de fasen de neiging zich te scheiden langs het zwakke grensvlak, wat tot zeer slechte mechanische eigenschappen leidt. In een MCC composiet is dit echter niet het geval, als de interactie tussen de vulstof en de matrix sterker is dan de vulstof-vulstof interactie neemt de mechanische sterkte van de composiet merkbaar af.
De moeilijkheden in natuurlijke vezel nanocomposieten ontstaan door dispersie en de neiging van kleine vezels om te aggregeren in de matrix. Door de hoge verhouding tussen oppervlakte en volume hebben de vezels de neiging te aggregeren, meer dan in composieten op microschaal. Bovendien voegt secundaire verwerking van collageenbronnen om voldoende zuivere collageen microfibrillen te verkrijgen een zekere mate van kosten en uitdaging toe aan het maken van een dragend cellulose of ander vulmiddel op basis van nanocomposiet.
Biomaterial and biocompatibilityEdit
Natuurlijke vezels zijn vaak veelbelovend als biomateriaal in medische toepassingen. Chitine is in het bijzonder opmerkelijk en is verwerkt in een verscheidenheid van toepassingen. Op chitine gebaseerde materialen zijn ook gebruikt om industriële verontreinigende stoffen uit water te verwijderen, verwerkt tot vezels en films, en gebruikt als biosensoren in de voedingsindustrie. Chitine is ook gebruikt voor verschillende medische toepassingen. Het is verwerkt als botvulmateriaal voor weefselregeneratie, als drager en hulpstof voor geneesmiddelen, en als antitumor-middel. Het inbrengen van vreemde materialen in het lichaam leidt vaak tot een immuunreactie, die een aantal positieve of negatieve gevolgen kan hebben, afhankelijk van de reactie van het lichaam op het materiaal. Het implanteren van iets dat gemaakt is van natuurlijk gesynthetiseerde proteïnen, zoals een implantaat op basis van keratine, heeft het potentieel om door het lichaam als natuurlijk weefsel te worden herkend. Dit kan ofwel leiden tot integratie in zeldzame gevallen waarin de structuur van het implantaat de hergroei van weefsel bevordert waarbij het implantaat een superstructuur vormt, ofwel tot afbraak van het implantaat waarbij de ruggengraten van de eiwitten worden herkend voor splitsing door het lichaam.