Doğal lif - Natural fiber

Bir serinin parçası
Lif
Doğal lifler
Hayvan Alpaka Angora Byssus Deve tüyü Kaşmir katgüt Chiengora Guanako lama Tiftik paşmina çiviut Tavşan İpek sinir örümcek ağı Yün Vicuña Yak
Bitki Abaka küspe Bambu Hindistan cevizi Pamuk Keten ( Keten ) Kenevir Jüt Kapok Kenaf Piña Çam Rafya Rami Sisal Odun
Mineral Asbest
Sentetik lifler
rejenere lifler Sanat ipek
Yarı sentetik lifler Asetat diasetat liyosel kalıcı suni ipek triasetat
Sentetik elyaflar Mineral Bardak Karbon ( Tenax ) Bazalt metalik Polimer Akrilik Aramid ( Twaron , Kevlar , Technora , Nomex ) mikrofiber modakrilik Naylon olefin Polyester Polietilen ( Dyneema , Spectra ) tayt vinilon vinyon Zylon
v T e

Doğal lifler veya doğal lifler ( yazım farklılıklarına bakın ) jeolojik süreçlerle veya bitki veya hayvan gövdelerinden üretilen liflerdir . Fiberlerin yönünün özellikleri etkilediği durumlarda kompozit malzemelerin bir bileşeni olarak kullanılabilirler . Doğal lifler, kağıt veya keçe yapmak için tabakalara da matlaştırılabilir .

İnsanların lif kullandığına dair en eski kanıt, Gürcistan Cumhuriyeti'ndeki tarih öncesi bir mağarada bulunan ve 36,000 BP'ye kadar uzanan yün ve boyalı keten liflerinin keşfidir . Doğal lifler, otomobiller için kompozit parçalar gibi yüksek teknolojili uygulamalar için kullanılabilir . Cam elyaf takviyeli kompozitlere kıyasla , doğal elyaflı kompozitler daha düşük yoğunluk, daha iyi ısı yalıtımı ve daha az cilt tahrişi gibi avantajlara sahiptir. Ayrıca, cam elyafların aksine, doğal elyaflar artık kullanılmadıklarında bakteriler tarafından parçalanabilirler.

Doğal lifler iyi ter emicilerdir ve çeşitli dokularda bulunabilirler. Örneğin pamuk bitkisinden elde edilen pamuk lifleri, hafif, dokusu yumuşak ve çeşitli ebat ve renklerde yapılabilen kumaşlar üretir. Pamuk gibi doğal liflerden yapılan giysiler , sıcak ve nemli iklimlerde yaşayan insanlar tarafından genellikle sentetik liflerden yapılan giysilere tercih edilir .

Bitki lifleri

Hayvansal lifler

Hayvansal lifler genellikle kolajen , keratin ve fibroin gibi proteinleri içerir ; örnekler ipek , lif , yün , katgüt , angora , tiftik ve alpakadır .

• Hayvan kılı (yün veya kıl): Hayvanlardan veya kıllı memelilerden alınan lif veya yün . örneğin koyun yünü, keçi kılı ( kaşmir , tiftik ), alpaka kılı , at kılı vb.
• İpek lifi: Kozaların hazırlanması sırasında böceklerin bezleri tarafından (genellikle ağız yakınında bulunur) salgılanan lif .

kitin

Kitin zincirlerinin kimyasal yapısı

Kitin, kolajen ilk olmak üzere, dünyada en bol bulunan ikinci doğal polimerdir . “β-(1-4)-2-asetamido-2-deoksi-D-glukozun lineer bir polisakkaritidir”. Kitin oldukça kristallidir ve genellikle bir β tabakasında düzenlenen zincirlerden oluşur. Yüksek kristalliği ve kimyasal yapısı nedeniyle birçok çözücüde çözünmez. Ayrıca vücutta düşük toksisiteye sahiptir ve bağırsaklarda inerttir. Kitin ayrıca antibakteriyel özelliklere sahiptir.

Kitin, proteinlerle çevrili fibriller oluşturan kristaller oluşturur. Bu fibriller, birçok biyolojik materyalin hiyerarşik yapısına katkıda bulunan daha büyük lifler yapmak için bir araya gelebilir. Bu fibriller, farklı biyolojik materyallerde organik tabakanın mekanik gücünü sağlayan rastgele yönlendirilmiş ağlar oluşturabilir.

Kitin, birçok canlı organizmaya koruma ve yapısal destek sağlar. Mantar ve mayaların hücre duvarlarını, yumuşakçaların kabuklarını , böceklerin ve eklembacaklıların dış iskeletlerini oluşturur . Kabuklarda ve dış iskeletlerde, kitin lifleri hiyerarşik yapılarına katkıda bulunur.

Doğada saf kitin (%100 asetilasyon ) yoktur. Bunun yerine kitin'in deasetillenmiş türevi olan kitosan ile bir kopolimer olarak bulunur. Kopolimerin asetilleştirilmiş bileşimi %50'nin üzerinde asetillendiğinde kitindir. Kitin ve kitosan'ın bu kopolimeri rastgele veya blok bir kopolimerdir.

kitosan

Kitosan zincirinin kimyasal yapısı

Kitosan, kitinin deasetillenmiş bir türevidir. Kopolimerin asetillenmiş bileşimi %50'nin altında olduğunda kitosandır. Kitosan, yarı kristal bir “β-(1-4)-2-amino-2-deoksi-D-glukoz polimeridir”. Kitin ve kitosan arasındaki bir fark, kitosanın asidik sulu çözeltilerde çözünür olmasıdır. Kitosan, kitini işlemek için daha kolaydır, ancak daha hidrofilik ve pH duyarlılığına sahip olduğu için daha az kararlıdır. İşlenme kolaylığı nedeniyle kitosan biyomedikal uygulamalarda kullanılmaktadır.

kollajen

Kollajen, genellikle "biyolojik malzemelerin çeliği" olarak adlandırılan yapısal bir proteindir. Birden fazla kolajen türü vardır: Tip I (deri, tendonlar ve bağlar, damarlar ve organların yanı sıra dişler ve kemik ve arter duvarlarından oluşur); Tip II (kıkırdakta bir bileşen); Tip III (genellikle retiküler liflerde bulunur ); ve diğerleri. Kollajen, üçlü sarmallar, fibriller ve lifler oluşturan hiyerarşik bir yapıya sahiptir . Kolajen, vücuttaki birçok dokuyu destekleyen ve güçlendiren bir protein ailesidir.

Keratin

Alfa keratinlerin sarmal yapısının oluşumunu gösteren diyagram.

Keratin, birçok omurgalıda sert yüzeylerde bulunan yapısal bir proteindir. Keratinin, farklı kordat sınıflarında bulunan α-keratin ve β-keratin olmak üzere iki formu vardır . Bu keratinler için adlandırma kuralı, protein yapıları için şu şekildedir: alfa keratin sarmaldır ve beta keratin tabaka gibidir. Alfa keratin memeli saçı, derisi, tırnakları, boynuz ve tüylerinde bulunurken, beta keratin kuş ve sürüngen türlerinde pullarda, tüylerde ve gagalarda bulunabilir. Keratin'in iki farklı yapısı, farklı uygulamalarında görüldüğü gibi, farklı mekanik özelliklere sahiptir. Keratin fibrillerinin göreceli hizalanmasının mekanik özellikler üzerinde önemli bir etkisi vardır. İnsan saçında alfa keratin filamentleri yüksek düzeyde hizalanmıştır ve yaklaşık 200 MPa'lık bir gerilme mukavemeti sağlar. Bu gerilme mukavemeti, insan saçının keratin filamentleri daha hizalı olduğundan, insan tırnaklarından (20 MPa) daha yüksek bir büyüklük sırasıdır.

Özellikler

Sentetik liflerle karşılaştırıldığında, doğal lifler daha düşük sertlik ve mukavemete sahip olma eğilimindedir.

Özellikleri de lifin yaşıyla birlikte azalır. Daha genç lifler, eskilerden daha güçlü ve daha elastik olma eğilimindedir. Birçok doğal elyaf, viskoelastik yapıları nedeniyle gerinim hızı duyarlılığı sergiler. Kemik, kolajen içerir ve gerinme sertleşmesi olarak da bilinen, gerinme hızıyla birlikte sertliğin artması nedeniyle gerinme hızı duyarlılığı sergiler . Örümcek ipeği, gerinim hızı duyarlılığına birlikte katkıda bulunan sert ve elastik bölgelere sahiptir, bunlar ipeğin gerinim sertleşmesine de neden olur. Doğal liflerin özellikleri, lif içindeki nem içeriğine de bağlıdır.

Nem bağımlılığı

Suyun varlığı, doğal liflerin mekanik davranışında çok önemli bir rol oynar. Hidratlı biyopolimerler genellikle gelişmiş süneklik ve tokluğa sahiptir. Su , polimer zincirlerinin geçişini kolaylaştıran ve bunu yaparken sünekliği ve tokluğu artıran küçük bir molekül olan plastikleştirici rolünü oynar . Doğal lifleri doğal kullanımlarının dışındaki uygulamalarda kullanırken, orijinal hidrasyon seviyesi dikkate alınmalıdır. Örneğin, hidratlandığında, Young's Kollajen Modülü 3,26'dan 0,6 GPa'ya düşer ve hem daha sünek hem de daha sert hale gelir. Ek olarak kollajen yoğunluğu 1,34'ten 1,18 g/cm^3'e düşer.

Uygulamalar

19. yüzyıl bilgisi keten , kenevir , jüt , Manila keneviri , sisal ve bitkisel lifler dokuma

Endüstriyel kullanım

Endüstriyel değere sahip dört hayvan lifi: yün, ipek, deve kılı ve angora ile dört bitkisel lif: pamuk, keten, kenevir ve jüt. Üretim ve kullanım ölçeği açısından baskın olan tekstiller için pamuktur.

Doğal elyaf kompozitler

Doğal lifler, sentetik veya cam liflere çok benzer şekilde kompozit malzemelerde de kullanılır. Biyokompozitler olarak adlandırılan bu kompozitler, sentetik polimerlerden oluşan bir matriste doğal bir elyaftır. Kullanılan ilk biyofiber takviyeli plastiklerden biri, 1908'de fenoliklerde bir selüloz elyafıydı. Kullanım, yalıtım, gürültü emici paneller veya otomobillerdeki katlanabilir alanlar gibi enerji soğurmanın önemli olduğu uygulamaları içerir.

Doğal lifler, sentetik takviye edici liflere göre farklı avantajlara sahip olabilir. En önemlisi, biyolojik olarak parçalanabilirler ve yenilenebilirler. Ek olarak, genellikle sentetik malzemelerden daha düşük yoğunluklara ve daha düşük işleme maliyetlerine sahiptirler. Doğal elyaf takviyeli kompozitlerle ilgili tasarım sorunları, zayıf mukavemeti (doğal elyaflar cam elyaflar kadar güçlü değildir) ve elyafları ve matrisi fiilen birleştirmedeki zorlukları içerir. Hidrofobik polimer matrisler, hidrofilik lifler için yetersiz yapışma sağlar.

Nanokompozitler

Nanokompozitler, mekanik özellikleri nedeniyle tercih edilmektedir. Bir kompozitteki dolgu maddeleri nanometre uzunluk ölçeğinde olduğunda, dolgu malzemesinin yüzey/hacim oranı yüksektir, bu da kompozitin yığın özelliklerini geleneksel kompozitlere kıyasla daha fazla etkiler. Bu nano boyutlu elementlerin özellikleri, yığın bileşenlerinden belirgin şekilde farklıdır.

Doğal liflerle ilgili olarak, nanokompozitlerin en iyi örneklerinden bazıları biyolojide görülmektedir. Kemik , deniz kulağı kabuğu , sedef ve diş minesinin tümü nanokompozitlerdir. 2010 itibariyle, çoğu sentetik polimer nanokompozit, biyolojik nanokompozitlere kıyasla daha düşük tokluk ve mekanik özellikler sergilemektedir. Tamamen sentetik nanokompozitler mevcuttur, ancak nano boyutlu biyopolimerler de sentetik matrislerde test edilmektedir. Nanokompozitlerde çeşitli tipte protein bazlı, nano boyutlu lifler kullanılmaktadır. Bunlar kollajen, selüloz, kitin ve tunikan içerir. Bu yapısal proteinler, kompozitlerde kullanılmadan önce işlenmelidir.

Örnek olarak selüloz kullanmak için, yarı kristalli mikrofibriller amorf bölgede kesilir ve mikrokristalin selüloz (MCC) ile sonuçlanır. Bu küçük, kristalin selüloz fibrilleri, bu noktalarda bir bıyık olarak yeniden sınıflandırılır ve küresel ila silindirik arasında değişen şekillerde 2 ila 20 nm çapında olabilir. Kollajen, kitin ve selüloz bıyıklarının tümü biyolojik nanokompozitler yapmak için kullanılmıştır. Bu kompozitlerin matrisi genellikle polietilen ve polivinil klorür gibi hidrofobik sentetik polimerler ve polistiren ve poliakrilat kopolimerleridir .

Geleneksel olarak kompozit biliminde, uygun mekanik özelliklerin elde edilmesi için matris ve dolgu arasında güçlü bir arayüz gereklidir. Durum böyle değilse, fazlar zayıf arayüz boyunca ayrılma eğilimi gösterir ve çok zayıf mekanik özelliklere neden olur. Ancak bir MCC kompozitinde durum böyle değildir, eğer dolgu ve matris arasındaki etkileşim dolgu-dolgu etkileşiminden daha güçlüyse kompozitin mekanik mukavemeti gözle görülür şekilde azalır.

Doğal lifli nanokompozitlerdeki zorluklar, dağılımdan ve küçük liflerin matriste toplanma eğiliminden kaynaklanmaktadır. Yüksek yüzey alanı-hacim oranı nedeniyle, lifler, mikro ölçekli kompozitlere göre daha fazla birikme eğilimine sahiptir. Ek olarak, yeterli saflıkta kolajen mikro fibrilleri elde etmek için kolajen kaynaklarının ikincil olarak işlenmesi, yük taşıyan bir selüloz veya diğer dolgu bazlı nanokompozit oluşturmaya bir derece maliyet ve zorluk ekler.

Biyomalzeme ve biyouyumluluk

Doğal lifler genellikle tıbbi uygulamalarda biyomalzemeler olarak umut vaat etmektedir. Kitin özellikle dikkat çekicidir ve çeşitli kullanımlara dahil edilmiştir. Kitin bazlı malzemeler ayrıca endüstriyel kirleticileri sudan uzaklaştırmak için kullanılmış, lif ve film haline getirilmiş ve gıda endüstrisinde biyosensör olarak kullanılmıştır . Kitin ayrıca çeşitli tıbbi uygulamalarda kullanılmıştır. Doku rejenerasyonu için bir kemik dolgu malzemesi, bir ilaç taşıyıcısı ve eksipiyan ve bir antitümör ajanı olarak dahil edilmiştir. Vücuda yabancı maddelerin sokulması, genellikle, vücudun malzemeye verdiği tepkiye bağlı olarak çeşitli olumlu veya olumsuz sonuçlara sahip olabilen bir bağışıklık tepkisini tetikler. Keratin bazlı bir implant gibi doğal olarak sentezlenmiş proteinlerden yapılmış bir şeyin implante edilmesi, vücut tarafından doğal doku olarak tanınma potansiyeline sahiptir. Bu, implant yapısının bir üst yapı oluşturan implant ile dokunun yeniden büyümesini desteklediği nadir durumlarda entegrasyona veya proteinlerin omurgalarının vücut tarafından bölünme için tanındığı implantın bozulmasına yol açabilir.

Ayrıca bakınız

• Hindistan cevizi
• Lif
• Uluslararası Doğal Lifler Yılı 2009
• örümcek ağı

Referanslar

23. Kuivaniemi, Helena ve Gerard Tromp. "Tip III kolajen (COL3A1): Gen ve protein yapısı, doku dağılımı ve ilişkili hastalıklar." Gen cilt 707 (2019): 151-171. doi:10.1016/j.gene.2019.05.003

Dış bağlantılar

• Mundo Malzeme Arşivlenen en 2011-04-11 Wayback Machine
• IJSG