Волокна

Хитозан

Хитозан – деацетилированное производное хитина. Когда ацетилированный состав сополимера составляет менее 50%, это хитозан. Хитозан представляет собой полукристаллический «полимер β- (1-4) -2-амино-2-дезокси-D-глюкозы». Одно различие между хитином и хитозаном заключается в том, что хитозан растворим в кислых водных растворах. Хитозан легче перерабатывает этот хитин, но он менее стабилен, потому что он более гидрофильный и имеет чувствительность к pH. Из-за простоты обработки хитозан используется в биомедицине.

Приложения

Знания XIX века в ткачестве льна , конопли , джута , манильской конопли , сизаля и растительных волокон

Промышленное использование

Промышленное значение имеют четыре волокна животного происхождения: шерсть, шелк, верблюжья шерсть и ангора, а также четыре растительных волокна: хлопок, лен, конопля и джут. По масштабам производства и использования преобладает хлопок для текстильных изделий.

Композиты из натуральных волокон

Натуральные волокна также используются в композитных материалах, как синтетические или стеклянные волокна. Эти композиты, называемые биокомпозитами, представляют собой натуральное волокно в матрице синтетических полимеров. Одним из первых использованных пластиков, армированных биоволокном, было целлюлозное волокно в фенолах в 1908 году. Используется в приложениях, где важно поглощение энергии, таких как изоляция, шумопоглощающие панели или складывающиеся области в автомобилях.

Натуральные волокна могут иметь различные преимущества перед синтетическими армирующими волокнами. В частности, они биоразлагаемы и возобновляемы. Кроме того, они часто имеют низкую плотность и более низкие затраты на обработку, чем синтетические материалы. Проблемы с конструкцией композитов, армированных натуральными волокнами, включают низкую прочность (натуральные волокна не так прочны, как стекловолокна) и трудности с фактическим соединением волокон и матрицы. Матрицы из гидрофобных полимеров обладают недостаточной адгезией для гидрофильных волокон.

Нанокомпозиты

Нанокомпозиты желательны из-за их механических свойств. Когда наполнители в композите имеют нанометровую шкалу длины, отношение поверхности к объему материала наполнителя является высоким, что влияет на объемные свойства композита в большей степени по сравнению с традиционными композитами. Свойства этих наноразмерных элементов заметно отличаются от свойств его объемной составляющей.

Что касается натуральных волокон, некоторые из лучших примеров нанокомпозитов появляются в биологии. Кость , раковина морского ушка , перламутр и зубная эмаль – все это нанокомпозиты. По состоянию на 2010 год большинство синтетических полимерных нанокомпозитов демонстрируют худшую ударную вязкость и механические свойства по сравнению с биологическими нанокомпозитами. Полностью синтетические нанокомпозиты действительно существуют, однако наноразмерные биополимеры также проходят испытания в синтетических матрицах. В нанокомпозитах используются несколько типов наноразмерных волокон на основе белка. К ним относятся коллаген, целлюлоза, хитин и туникан. Эти структурные белки необходимо обработать перед использованием в композитах.

Чтобы использовать целлюлозу в качестве примера, полукристаллические микрофибриллы разрезают в аморфной области, в результате чего получается микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ). Эти мелкие кристаллические фибриллы целлюлозы на данном этапе реклассифицируются как усы и могут иметь диаметр от 2 до 20 нм с формой от сферической до цилиндрической. Усы коллагена, хитина и целлюлозы используются для создания биологических нанокомпозитов. Матрица этих композитов обычно представляет собой гидрофобные синтетические полимеры, такие как полиэтилен и поливинилхлорид, а также сополимеры полистирола и полиакрилата.

Традиционно в композитной науке требуется прочная граница раздела между матрицей и наполнителем для достижения хороших механических свойств. Если это не так, фазы имеют тенденцию разделяться вдоль слабой границы раздела, что приводит к очень плохим механическим свойствам. Однако в композите MCC это не так: если взаимодействие между наполнителем и матрицей сильнее, чем взаимодействие наполнитель-наполнитель, механическая прочность композита заметно снижается.

Трудности с нанокомпозитами из натуральных волокон возникают из-за их дисперсности и склонности мелких волокон к агрегации в матрице. Из-за высокого отношения площади поверхности к объему волокна имеют тенденцию к агрегированию, в большей степени, чем в композитах на микромасштабах. Кроме того, вторичная обработка источников коллагена для получения микроволокон коллагена достаточной чистоты увеличивает стоимость и затрудняет создание нанокомпозита на основе целлюлозы или другого наполнителя.

Биоматериал и биосовместимость

Натуральные волокна часто являются перспективными в качестве биоматериалов в медицинских целях. Хитин особенно примечателен и находит широкое применение. Материалы на основе хитина также использовались для удаления промышленных загрязнителей из воды, перерабатывались в волокна и пленки и использовались в качестве биосенсоров в пищевой промышленности. Хитин также использовался в нескольких медицинских целях. Он был использован в качестве материала для наполнения костей для регенерации тканей, носителя лекарственного средства и наполнителя , а также в качестве противоопухолевого агента. Введение инородных материалов в организм часто вызывает иммунный ответ, который может иметь множество положительных или отрицательных результатов в зависимости от реакции организма на материал. Имплантация чего-либо, сделанного из синтезированных естественным путем белков, например имплантата на основе кератина, может быть признана организмом как естественная ткань. Это может привести либо к интеграции в редких случаях, когда структура имплантата способствует возобновлению роста ткани, при этом имплант формирует надстройку, либо к деградации имплантата, в которой основные цепи белков распознаются для расщепления организмом.

Хитин

Хитин является вторым по распространенности природным полимером в мире, а коллаген – первым. Это «линейный полисахарид β- (1-4) -2-ацетамидо-2-дезокси-D-глюкозы». Хитин очень кристаллический и обычно состоит из цепей, организованных в β-лист. Из-за своей высокой кристалличности и химической структуры он не растворяется во многих растворителях. Он также малотоксичен для организма и инертен в кишечнике. Хитин также обладает антибактериальными свойствами.

Хитин образует кристаллы, из которых образуются фибриллы, окруженные белками. Эти фибриллы могут объединяться в более крупные волокна, которые вносят вклад в иерархическую структуру многих биологических материалов. Эти фибриллы могут образовывать случайно ориентированные сети, которые обеспечивают механическую прочность органического слоя в различных биологических материалах.

Хитин обеспечивает защиту и структурную поддержку многих живых организмов. Он составляет клеточные стенки грибов и дрожжей, раковины моллюсков, экзоскелеты насекомых и членистоногих . В оболочках и экзоскелетах хитиновые волокна вносят вклад в их иерархическую структуру.

В природе чистый хитин (100% ацетилирование ) не существует. Вместо этого он существует в виде сополимера с деацетилированным производным хитина, хитозаном. Когда ацетилированная композиция сополимера ацетилирована более чем на 50%, это хитин. Этот сополимер хитина и хитозана представляет собой статистический или блок-сополимер.

Натуральные волокна

К натуральным относят волокна, образующиеся биологическим путём (в организме растения, животного) или в ходе геологических процессов. По происхождению можно разделить на:

• растительное волокно — представляет собой в основном целлюлозу, часто с лигнином, например хлопок, пенька, джут, лён, рами, сизаль. Растительные волокна используют при производстве ткани для одежды. Древесное волокно в основном идёт на производство бумаги, а также ДВП.

• животное волокно — представляет собой длинные белковые цепочки. Например шерсть, волосы и т. д.

• минеральное волокно — асбест. Асбест единственное залегающее длинное минеральное волокно. Коротковолоконные минералы галлуазит, аттапульгит (Palygorskite, attapulgite).