Naturfiber
Industriell användningEdit
Av industriellt värde är fyra djurfibrer, ull, silke, kamelhår och angora samt fyra växtfibrer, bomull, lin, hampa och jute. Dominerande när det gäller produktionens omfattning och användning är bomull för textilier.
NaturfiberkompositerEdit
Naturliga fibrer används också i kompositmaterial, ungefär som syntetiska fibrer eller glasfibrer. Dessa kompositer, som kallas biokompositer, består av en naturfiber i en matris av syntetiska polymerer. En av de första biofiberförstärkta plasterna som användes var en cellulosafiber i fenolika 1908. Användningen omfattar tillämpningar där energiabsorption är viktig, t.ex. isolering, ljudabsorberande paneler eller hopfällbara områden i bilar.
Naturliga fibrer kan ha olika fördelar jämfört med syntetiska förstärkningsfibrer. Framför allt är de biologiskt nedbrytbara och förnybara. Dessutom har de ofta låg densitet och lägre bearbetningskostnader än syntetiska material. Konstruktionsproblem med naturfiberförstärkta kompositer är bland annat dålig hållfasthet (naturfibrer är inte lika starka som glasfibrer) och svårigheter med att faktiskt binda samman fibrerna och matrisen. Hydrofoba polymermatriser erbjuder otillräcklig vidhäftning för hydrofila fibrer.
NanokompositerEdit
Nanokompositer är önskvärda för sina mekaniska egenskaper. När fyllmedel i en komposit befinner sig på nanometerlängdsskalan är yt- och volymförhållandet för fyllnadsmaterialet högt, vilket påverkar kompositens bulkegenskaper mer jämfört med traditionella kompositer. Egenskaperna hos dessa element i nanostorlek skiljer sig markant från egenskaperna hos dess bulkbeståndsdel.
När det gäller naturfibrer finns några av de bästa exemplen på nanokompositer inom biologin. Ben, abalonskal, pärlemor och tandemalj är alla nanokompositer. Sedan 2010 uppvisar de flesta nanokompositer av syntetiska polymerer sämre seghet och mekaniska egenskaper än biologiska nanokompositer. Det finns helt syntetiska nanokompositer, men nanostora biopolymerer testas också i syntetiska matriser. Flera typer av proteinbaserade, nanoförstorade fibrer används i nanokompositer. Dessa inkluderar kollagen, cellulosa, kitin och tunikan. Dessa strukturella proteiner måste bearbetas innan de används i kompositer.
För att använda cellulosa som exempel skäras semikristallina mikrofibriller i den amorfa regionen, vilket resulterar i mikrokristallin cellulosa (MCC). Dessa små, kristallina cellulosafibriller omklassificeras vid denna tidpunkt som en whisker och kan ha en diameter på 2 till 20 nm med former från sfäriska till cylindriska former. Whiskers av kollagen, kitin och cellulosa har alla använts för att göra biologiska nanokompositer. Matrisen i dessa kompositer är vanligen hydrofoba syntetiska polymerer som polyeten, polyvinylklorid och sampolymerer av polystyren och polyakrylat.
Traditionellt inom kompositvetenskapen krävs ett starkt gränssnitt mellan matrisen och fyllnadsmaterialet för att uppnå gynnsamma mekaniska egenskaper. Om detta inte är fallet tenderar faserna att separera längs det svaga gränssnittet, vilket ger mycket dåliga mekaniska egenskaper. I en MCC-komposit är detta dock inte fallet, om interaktionen mellan fyllmedel och matris är starkare än interaktionen mellan fyllmedel och fyllmedel minskar kompositens mekaniska hållfasthet märkbart.
Svårigheter i nanokompositer av naturfibrer uppstår på grund av dispersion och tendensen att små fibrer aggregerar i matrisen. På grund av det höga förhållandet mellan yta och volym har fibrerna en tendens att aggregera, mer än i kompositer i mikroskala. Dessutom medför sekundär bearbetning av kollagenkällor för att erhålla kollagenmikrofibriller med tillräcklig renhet en viss kostnad och utmaning när det gäller att skapa en lastbärande cellulosabaserad nanokomposit eller en nanokomposit baserad på ett annat fyllmedel.
Biomaterial och biokompatibilitetEdit
Naturliga fibrer är ofta lovande som biomaterial i medicinska tillämpningar. Chitin är särskilt anmärkningsvärt och har införlivats i en mängd olika användningsområden. Kitinbaserade material har också använts för att avlägsna industriella föroreningar från vatten, bearbetats till fibrer och filmer och använts som biosensorer inom livsmedelsindustrin. Kitin har också använts i flera medicinska tillämpningar. Det har använts som benfyllnadsmaterial för vävnadsregenerering, som läkemedelsbärare och hjälpämne samt som antitumörmedel. Införandet av främmande material i kroppen utlöser ofta ett immunsvar, vilket kan få en rad olika positiva eller negativa följder beroende på kroppens reaktion på materialet. Att implantera något som är tillverkat av naturligt syntetiserade proteiner, t.ex. ett keratinbaserat implantat, har potential att erkännas som naturlig vävnad av kroppen. Detta kan antingen leda till integration i sällsynta fall där implantatets struktur främjar återväxt av vävnad där implantatet bildar en överbyggnad, eller till nedbrytning av implantatet där proteinernas ryggrad erkänns för klyvning av kroppen.