Введение
Волокна, полученные из природных источников, таких как растения, животные или минералы, без синтеза. Природные волокна (или натуральные волокна, см. различия в написании) – это волокна, производимые геологическими процессами или из тел растений и животных. Они могут использоваться в качестве компонента композитных материалов, где ориентация волокон влияет на их свойства. Из природных волокон также можно изготавливать листы для получения бумаги или войлока. Самым ранним свидетельством использования волокон человеком является находка шерсти и окрашенного льна в доисторической пещере в Республике Грузия, датируемая 36 000 лет до нашей эры. Природные волокна находят применение в высокотехнологичных областях, например, при создании композитных деталей для автомобилей и медицинских изделий. По сравнению с композитами, армированными стекловолокном, композиты с использованием природных волокон обладают такими преимуществами, как меньшая плотность, лучшая теплоизоляция и снижение раздражения кожи. Более того, в отличие от стекловолокна, природные волокна могут разлагаться под воздействием бактерий после окончания срока службы. Природные волокна хорошо впитывают воду и характеризуются разнообразием текстур. Например, хлопковые волокна, получаемые из растения хлопка, позволяют производить легкие, мягкие ткани различных размеров и цветов. Люди, живущие в жарком и влажном климате, часто предпочитают одежду из натуральных волокон, таких как хлопок, одежде из синтетических волокон.
Natural fibers or natural fibres (see spelling differences) are fibers that are produced by geological processes, or from the bodies of plants or animals. They can be used as a component of composite materials, where the orientation of fibers impacts the properties. Natural fibers can also be matted into sheets to make paper or felt. The earliest evidence of humans using fibers is the discovery of wool and dyed flax fibers found in a prehistoric cave in the Republic of Georgia that date back to 36,000 BP. Natural fibers can be used for high tech applications, such as composite parts for automobiles and medical supplies. Compared to composites reinforced with glass fibers, composites with natural fibers have advantages such as lower density, better thermal insulation, and reduced skin irritation. Further, unlike glass fibers, natural fibers can be broken down by bacteria once they are no longer used. Natural fibers are good water absorbents and can be found in various textures. Cotton fibers made from the cotton plant, for example, produce fabrics that are light in weight, soft in texture, and which can be made in various sizes and colors. Clothes made of natural fibers such as cotton are often preferred over clothing made of synthetic fibers by people living in hot and humid climates.
Кератин
Кератин – это структурный белок, расположенный в твердых покровах у многих позвоночных. Кератин существует в двух формах: α-кератин и β-кератин, которые встречаются у разных классов хордовых. Система наименования этих кератинов соответствует структуре белков: альфа-кератин имеет спиральную структуру, а бета-кератин – листовую. Альфа-кератин содержится в волосах, коже, ногтях, рогах и иглах млекопитающих, в то время как бета-кератин можно встретить у птиц и рептилий в чешуе, перьях и клювах. Две различные структуры кератина обладают различными механическими свойствами, что проявляется в их разном применении. Относительное выравнивание кератиновых фибрилл существенно влияет на механические свойства. В человеческих волосах нити альфа-кератина высоко выровнены, что обеспечивает прочность на растяжение около 200 МПа. Эта прочность на растяжение на порядок выше, чем у ногтей человека (20 МПа), поскольку кератиновые нити в волосах человека более упорядочены. Костная ткань содержит коллаген и демонстрирует зависимость от скорости деформации, то есть жесткость увеличивается с ростом скорости деформации, что также известно как упрочнение при деформации. Паучий шелк имеет жесткие и эластичные участки, которые вместе обуславливают его зависимость от скорости деформации, вызывая упрочнение шелка.
Композиты из натуральных волокон
Природные волокна также используются в композитных материалах, подобно синтетическим или стекловолокнам. Эти композиты, называемые биокомпозитами, представляют собой натуральные волокна в матрице из синтетических полимеров. Природные волокна могут обладать различными преимуществами по сравнению с синтетическими армирующими волокнами. Прежде всего, они биоразлагаемы и возобновляемы. Кроме того, они часто имеют низкую плотность и более низкую стоимость обработки, чем синтетические материалы. Проблемы при проектировании композитов, армированных натуральными волокнами, включают низкую прочность (натуральные волокна менее прочны, чем стекловолокна) и трудности со связыванием волокон и матрицы. Гидрофобные полимерные матрицы обеспечивают недостаточную адгезию для гидрофильных волокон. Полностью синтетические нанокомпозиты существуют, однако наноразмерные биополимеры также испытываются в синтетических матрицах. В нанокомпозитах используются различные типы наноразмерных волокон на основе белков, включая коллаген, целлюлозу, хитин и туникан. Сложности в создании нанокомпозитов из натуральных волокон связаны с дисперсностью и склонностью мелких волокон к агрегации в матрице. Из-за высокого отношения площади поверхности к объему волокна имеют тенденцию к агрегации, в большей степени, чем в микрокомпозитах. Дополнительная переработка источников коллагена для получения коллагеновых микрофибрилл достаточной чистоты увеличивает стоимость и сложность создания несущего нагрузку нанокомпозита на основе целлюлозы или другого наполнителя. Хитин также применяется в нескольких областях медицины. Он используется в качестве костного материала для регенерации тканей, в качестве носителя лекарственных средств и вспомогательного вещества, а также в качестве противоопухолевого агента. Введение чужеродных материалов в организм часто вызывает иммунный ответ, который может иметь различные положительные или отрицательные последствия в зависимости от реакции организма на материал. Имплантация чего-либо, изготовленного из естественно синтезированных белков, например, имплантата на основе кератина, может быть распознана организмом как естественная ткань. Это может привести либо к интеграции в редких случаях, когда структура имплантата способствует регенерации ткани с образованием надстройки, либо к деградации имплантата, при которой белковый каркас распознается организмом для расщепления.