Włókno naturalne
Wykorzystanie przemysłoweEdit
Wartość przemysłową mają cztery włókna zwierzęce, wełna, jedwab, sierść wielbłąda i angora, a także cztery włókna roślinne, bawełna, len, konopie i juta. Dominującym pod względem skali produkcji i zastosowania jest bawełna do produkcji tekstyliów.
Kompozyty z włókien naturalnychEdit
Włókna naturalne są również stosowane w materiałach kompozytowych, podobnie jak włókna syntetyczne lub szklane. Kompozyty te, zwane biokompozytami, zawierają włókna naturalne w matrycy z polimerów syntetycznych. Jednym z pierwszych używanych tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknami biologicznymi było włókno celulozowe w fenolach w 1908 roku. Wykorzystanie obejmuje zastosowania, w których ważna jest absorpcja energii, takie jak izolacja, panele pochłaniające hałas lub zapadające się obszary w samochodach.
Włókna naturalne mogą mieć różne zalety w porównaniu z syntetycznymi włóknami wzmacniającymi. Przede wszystkim są one biodegradowalne i odnawialne. Ponadto, często mają niską gęstość i niższe koszty przetwarzania niż materiały syntetyczne. Problemy projektowe związane z kompozytami wzmacnianymi włóknami naturalnymi obejmują niską wytrzymałość (włókna naturalne nie są tak mocne jak włókna szklane) oraz trudności z faktycznym połączeniem włókien z matrycą. Hydrofobowe matryce polimerowe oferują niewystarczającą adhezję dla włókien hydrofilowych.
NanokompozytyEdit
Nanokompozyty są pożądane ze względu na swoje właściwości mechaniczne. Gdy wypełniacze w kompozycie znajdują się w nanometrowej skali długości, stosunek powierzchni do objętości materiału wypełniacza jest wysoki, co wpływa na właściwości objętościowe kompozytu w większym stopniu w porównaniu z tradycyjnymi kompozytami. Właściwości tych nanorozmiarowych elementów znacznie różnią się od właściwości ich masowych składników.
W odniesieniu do włókien naturalnych, jedne z najlepszych przykładów nanokompozytów pojawiają się w biologii. Kość, muszla abalone, gąbka i szkliwo zębów są nanokompozytami. Od 2010 r. większość syntetycznych nanokompozytów polimerowych wykazuje gorszą wytrzymałość i właściwości mechaniczne w porównaniu z nanokompozytami biologicznymi. Istnieją całkowicie syntetyczne nanokompozyty, jednak nanorozmiarowe biopolimery są również badane w matrycach syntetycznych. W nanokompozytach stosuje się kilka rodzajów włókien nanometrycznych na bazie białek. Należą do nich kolagen, celuloza, chityna i tunican. Te białka strukturalne muszą być przetworzone przed użyciem w kompozytach.
Aby użyć celulozy jako przykładu, półkrystaliczne mikrofibryle są ścinane w obszarze amorficznym, w wyniku czego powstaje celuloza mikrokrystaliczna (MCC). Te małe, krystaliczne włókna celulozy są w tym momencie ponownie klasyfikowane jako wiskery i mogą mieć średnicę od 2 do 20 nm oraz kształt od kulistego do cylindrycznego. Wiskery kolagenu, chityny i celulozy są wykorzystywane do tworzenia nanokompozytów biologicznych. Osnową tych kompozytów są zwykle hydrofobowe polimery syntetyczne, takie jak polietylen, polichlorek winylu i kopolimery polistyrenu i poliakrylanu.
Tradycyjnie w nauce o kompozytach wymagany jest silny interfejs między osnową a wypełniaczem, aby osiągnąć korzystne właściwości mechaniczne. Jeśli tak nie jest, fazy mają tendencję do rozdzielania się wzdłuż słabego interfejsu, co skutkuje bardzo słabymi właściwościami mechanicznymi. W kompozytach MCC jest inaczej, jeśli interakcja pomiędzy wypełniaczem a matrycą jest silniejsza niż interakcja wypełniacz-wypełniacz, wytrzymałość mechaniczna kompozytu wyraźnie spada.
Trudności w nanokompozytach z włóknami naturalnymi wynikają z dyspersji i tendencji małych włókien do agregacji w matrycy. Ze względu na wysoki stosunek powierzchni do objętości, włókna mają tendencję do agregacji, bardziej niż w kompozytach w skali mikro. Dodatkowo wtórne przetwarzanie źródeł kolagenu w celu uzyskania odpowiedniej czystości mikrowłókien kolagenowych zwiększa koszty i stanowi wyzwanie przy tworzeniu nośnych nanokompozytów na bazie celulozy lub innych wypełniaczy.
Biomateriał i biokompatybilnośćEdit
Włókna naturalne często wykazują obietnicę jako biomateriały w zastosowaniach medycznych. Chityna jest godna uwagi w szczególności i została włączona do różnych zastosowań. Materiały na bazie chityny zostały również wykorzystane do usuwania zanieczyszczeń przemysłowych z wody, przetworzone na włókna i folie oraz wykorzystane jako biosensory w przemyśle spożywczym. Chityna ma również wiele zastosowań medycznych. Stosowana jest jako materiał wypełniający kości w procesie regeneracji tkanek, jako nośnik i substancja pomocnicza dla leków oraz jako środek przeciwnowotworowy. Wprowadzenie obcych materiałów do organizmu często wywołuje reakcję immunologiczną, która może mieć różne pozytywne lub negatywne skutki, w zależności od reakcji organizmu na dany materiał. Implantacja czegoś wykonanego z naturalnie syntetyzowanych białek, jak np. implant na bazie keratyny, może być potencjalnie rozpoznana przez organizm jako naturalna tkanka. Może to prowadzić albo do integracji w rzadkich przypadkach, gdy struktura implantu sprzyja odrastaniu tkanki z implantem tworzącym nadbudowę, albo do degradacji implantu, w którym szkielet białek jest rozpoznawany przez organizm jako rozszczepiony.