Fibra natural - Natural fiber

Las fibras naturales o fibras naturales (ver diferencias de ortografía ) son fibras que se producen por procesos geológicos o de los cuerpos de plantas o animales . Se pueden utilizar como componente de materiales compuestos , donde la orientación de las fibras impacta en las propiedades. Las fibras naturales también se pueden enmarañar en hojas para hacer papel o fieltro .

La evidencia más temprana de que los humanos usan fibras es el descubrimiento de lana y fibras de lino teñidas encontradas en una cueva prehistórica en la República de Georgia que se remonta al 36,000 AP . Las fibras naturales se pueden utilizar para aplicaciones de alta tecnología, como piezas compuestas para automóviles. En comparación con los compuestos reforzados con fibras de vidrio , los compuestos con fibras naturales tienen ventajas como menor densidad, mejor aislamiento térmico y menor irritación de la piel. Además, a diferencia de las fibras de vidrio, las fibras naturales pueden ser degradadas por bacterias una vez que ya no se utilizan.

Las fibras naturales son buenos absorbentes del sudor y se pueden encontrar en una variedad de texturas. Las fibras de algodón hechas de la planta del algodón, por ejemplo, producen telas que son livianas, de textura suave y que pueden fabricarse en varios tamaños y colores. Las personas que viven en climas cálidos y húmedos suelen preferir la ropa hecha de fibras naturales como el algodón a la ropa hecha de fibras sintéticas .

Fibras vegetales

Categoría tipos
Fibra de semilla Las fibras recolectadas de las semillas de varias plantas se conocen como fibras de semillas.
Fibra de hoja Las fibras recolectadas de las células de una hoja se conocen como fibras de hojas, por ejemplo, plátano, piña (PALF), etc.
Fibra de estopa Las fibras de estopa se recolectan de las capas celulares externas del tallo de la planta. Estas fibras se utilizan para hilos, telas, embalajes y papel duraderos. Algunos ejemplos son el lino , el yute , el kenaf , el cáñamo industrial , el ramio , el ratán y las fibras de vid .
Fibra de fruta Fibras recolectadas del fruto de la planta, por ejemplo, fibra de coco ( bonote ).
Fibra de tallo Fibras de tallos de plantas, p. Ej. Pajitas de trigo , arroz , cebada, bambú y paja .

Fibras animales

Las fibras animales generalmente comprenden proteínas tales como colágeno , queratina y fibroína ; los ejemplos incluyen seda , tendones , lana , catgut , angora , mohair y alpaca .

  • Pelo de animal (lana o pelos): Fibra o lana extraída de animales o mamíferos peludos. por ejemplo, lana de oveja, pelo de cabra ( cachemira , mohair ), pelo de alpaca , pelo de caballo, etc.
  • Fibra de seda: Fibra secretada por las glándulas (a menudo ubicadas cerca de la boca) de los insectos durante la preparación de los capullos .

Quitina

Estructura química de las cadenas de quitina.

La quitina es el segundo polímero natural más abundante del mundo, siendo el colágeno el primero. Es un “polisacárido lineal de β- (1-4) -2-acetamido-2-desoxi-D-glucosa”. La quitina es muy cristalina y suele estar compuesta por cadenas organizadas en una hoja β. Debido a su alta cristalinidad y estructura química, es insoluble en muchos disolventes. También tiene una baja toxicidad en el organismo y es inerte en los intestinos. La quitina también tiene propiedades antibacterianas.

La quitina forma cristales que forman fibrillas que quedan rodeadas de proteínas. Estas fibrillas pueden agruparse para formar fibras más grandes que contribuyen a la estructura jerárquica de muchos materiales biológicos. Estas fibrillas pueden formar redes orientadas aleatoriamente que proporcionan la resistencia mecánica de la capa orgánica en diferentes materiales biológicos.

La quitina brinda protección y soporte estructural a muchos organismos vivos. Forma las paredes celulares de hongos y levaduras, las conchas de moluscos, los exoesqueletos de insectos y artrópodos . En conchas y exoesqueletos, las fibras de quitina contribuyen a su estructura jerárquica.

En la naturaleza, la quitina pura ( acetilación al 100% ) no existe. En cambio, existe como un copolímero con el derivado desacetilado de quitina, quitosano. Cuando la composición acetilizada del copolímero está acetilada en más del 50%, es quitina. Este copolímero de quitina y quitosano es un copolímero aleatorio o de bloques.

Quitosano

Estructura química de la cadena del quitosano.

El quitosano es un derivado desacetilado de la quitina. Cuando la composición acetilizada del copolímero está por debajo del 50%, es quitosano. El quitosano es un “polímero de β- (1-4) -2-amino-2-desoxi-D-glucosa” semicristalino. Una diferencia entre la quitina y el quitosano es que el quitosano es soluble en soluciones acuosas ácidas. El quitosano es más fácil de procesar que la quitina, pero es menos estable porque es más hidrófilo y tiene sensibilidad al pH. Debido a su facilidad de procesamiento, el quitosano se utiliza en aplicaciones biomédicas.

Colágeno

El colágeno es una proteína estructural, a menudo denominada "el acero de los materiales biológicos". Existen múltiples tipos de colágeno: Tipo I (que comprende piel, tendones y ligamentos, vasculatura y órganos, así como dientes y paredes de huesos y arterias); Tipo II (un componente del cartílago); Tipo III (a menudo se encuentra en fibras reticulares ); y otros. El colágeno tiene una estructura jerárquica, formando triples hélices, fibrillas y fibras. El colágeno es una familia de proteínas que apoyan y fortalecen muchos tejidos del cuerpo.

Bordillo

Diagrama que muestra la creación de una estructura helicoidal de alfa queratinas.

La queratina es una proteína estructural ubicada en las superficies duras de muchos vertebrados. La queratina tiene dos formas, α-queratina y β-queratina , que se encuentran en diferentes clases de cordados. La convención de nomenclatura para estas queratinas sigue la de las estructuras proteicas: la alfa queratina es helicoidal y la beta queratina tiene forma de lámina. La alfa queratina se encuentra en el pelo, la piel, las uñas, el cuerno y las púas de los mamíferos , mientras que la beta queratina se puede encontrar en las especies de aves y reptiles en escamas, plumas y picos. Las dos estructuras diferentes de la queratina tienen propiedades mecánicas diferentes, como se ve en sus aplicaciones diferentes. La alineación relativa de las fibrillas de queratina tiene un impacto significativo en las propiedades mecánicas. En el cabello humano, los filamentos de alfa queratina están altamente alineados, dando una resistencia a la tracción de aproximadamente 200 MPa. Esta resistencia a la tracción es un orden de magnitud superior a la de las uñas humanas (20 MPa), porque los filamentos de queratina del cabello humano están más alineados.

Propiedades

En comparación con las fibras sintéticas, las fibras naturales tienden a tener menor rigidez y resistencia.

Propiedades mecánicas de tracción de las fibras naturales
Material Fibra Módulo elástico (GPa) Fuerza (MPa)
Tendón Colágeno 1,50 150
Hueso Colágeno 20,0 160
Exoesqueleto de cangrejo de barro (mojado) Quitina 0,48 30
Exoesqueleto de langostino (húmedo) Quitina 0,55 28
Pezuña de bovino Bordillo 0,40 dieciséis
Lana Bordillo 0,50 200

Las propiedades también disminuyen con la edad de la fibra. Las fibras más jóvenes tienden a ser más fuertes y elásticas que las más viejas. Muchas fibras naturales exhiben sensibilidad a la velocidad de deformación debido a su naturaleza viscoelástica. El hueso contiene colágeno y exhibe sensibilidad a la velocidad de deformación, ya que la rigidez aumenta con la velocidad de deformación, también conocido como endurecimiento por deformación . La seda de araña tiene regiones duras y elásticas que juntas contribuyen a su sensibilidad a la velocidad de deformación, lo que hace que la seda también muestre un endurecimiento por deformación. Las propiedades de las fibras naturales también dependen del contenido de humedad de la fibra.

Dependencia de la humedad

La presencia de agua juega un papel crucial en el comportamiento mecánico de las fibras naturales. Los biopolímeros hidratados generalmente tienen mayor ductilidad y tenacidad. El agua desempeña el papel de plastificante , una pequeña molécula que facilita el paso de las cadenas de polímeros y, al hacerlo, aumenta la ductilidad y la tenacidad. Cuando se utilizan fibras naturales en aplicaciones fuera de su uso nativo, se debe tener en cuenta el nivel original de hidratación. Por ejemplo, cuando está hidratado, el módulo de colágeno de Young disminuye de 3,26 a 0,6 GPa y se vuelve más dúctil y resistente. Además, la densidad del colágeno disminuye de 1,34 a 1,18 g / cm ^ 3.

Aplicaciones

Conocimiento del siglo XIX tejiendo lino , cáñamo , yute , cáñamo de Manila , sisal y fibras vegetales

Uso industrial

Tienen valor industrial cuatro fibras animales: lana, seda, pelo de camello y angora, así como cuatro fibras vegetales: algodón, lino, cáñamo y yute. Dominante en términos de escala de producción y uso es el algodón para textiles.

Compuestos de fibras naturales

Las fibras naturales también se utilizan en materiales compuestos, al igual que las fibras sintéticas o de vidrio. Estos compuestos, llamados biocomposites, son una fibra natural en una matriz de polímeros sintéticos. Uno de los primeros plásticos reforzados con biofibras en uso fue una fibra de celulosa en compuestos fenólicos en 1908. El uso incluye aplicaciones donde la absorción de energía es importante, como aislamiento, paneles absorbentes de ruido o áreas colapsables en automóviles.

Las fibras naturales pueden tener diferentes ventajas sobre las fibras sintéticas de refuerzo. En particular, son biodegradables y renovables. Además, a menudo tienen densidades bajas y costos de procesamiento más bajos que los materiales sintéticos. Los problemas de diseño con los compuestos reforzados con fibras naturales incluyen poca resistencia (las fibras naturales no son tan fuertes como las fibras de vidrio) y dificultad para unir realmente las fibras y la matriz. Las matrices de polímeros hidrófobos ofrecen una adhesión insuficiente para las fibras hidrófilas.

Nanocompuestos

Los nanocompuestos son deseables por sus propiedades mecánicas. Cuando los rellenos en un compuesto se encuentran en la escala de longitud nanométrica , la relación superficie / volumen del material de relleno es alta, lo que influye más en las propiedades de volumen del compuesto en comparación con los compuestos tradicionales. Las propiedades de estos elementos nanométricos son marcadamente diferentes a las de su constituyente a granel.

En lo que respecta a las fibras naturales, algunos de los mejores ejemplos de nanocompuestos aparecen en biología. El hueso , la concha de abulón , el nácar y el esmalte dental son todos nanocompuestos. A partir de 2010, la mayoría de los nanocompuestos de polímeros sintéticos exhiben una dureza y propiedades mecánicas inferiores en comparación con los nanocompuestos biológicos. Existen nanocompuestos completamente sintéticos, sin embargo, los biopolímeros nanométricos también se están probando en matrices sintéticas. En los nanocompuestos se utilizan varios tipos de fibras nanométricas basadas en proteínas. Estos incluyen colágeno, celulosa, quitina y tunican. Estas proteínas estructurales deben procesarse antes de su uso en compuestos.

Para usar celulosa como ejemplo, las microfibrillas semicristalinas se cortan en la región amorfa, lo que da como resultado celulosa microcristalina (MCC). Estas pequeñas fibrillas de celulosa cristalina se reclasifican en estos puntos como un bigote y pueden tener de 2 a 20 nm de diámetro con formas que van desde esféricas hasta cilíndricas. Los bigotes de colágeno, quitina y celulosa se han utilizado para hacer nanocompuestos biológicos. La matriz de estos compuestos son comúnmente polímeros sintéticos hidrófobos tales como polietileno y cloruro de polivinilo y copolímeros de poliestireno y poliacrilato.

Tradicionalmente, en la ciencia de los compuestos se requiere una fuerte interfaz entre la matriz y el relleno para lograr propiedades mecánicas favorables. Si este no es el caso, las fases tienden a separarse a lo largo de la interfaz débil y produce propiedades mecánicas muy deficientes. Sin embargo, en un compuesto MCC este no es el caso, si la interacción entre el relleno y la matriz es más fuerte que la interacción relleno-relleno, la resistencia mecánica del compuesto disminuye notablemente.

Las dificultades en los nanocompuestos de fibra natural surgen de la dispersión y la tendencia de las fibras pequeñas a agregarse en la matriz. Debido a la alta relación de área superficial a volumen, las fibras tienen una tendencia a agregarse, más que en los materiales compuestos a microescala. Además, el procesamiento secundario de fuentes de colágeno para obtener microfibrillas de colágeno de pureza suficiente agrega un grado de costo y desafío a la creación de una celulosa que soporta carga u otro nanocompuesto a base de relleno.

Biomaterial y biocompatibilidad

Las fibras naturales a menudo se muestran prometedoras como biomateriales en aplicaciones médicas. La quitina es notable en particular y se ha incorporado en una variedad de usos. Los materiales a base de quitina también se han utilizado para eliminar contaminantes industriales del agua, se han transformado en fibras y películas y se han utilizado como biosensores en la industria alimentaria. La quitina también se ha utilizado en varias aplicaciones médicas. Se ha incorporado como material de relleno óseo para la regeneración de tejidos, portador y excipiente de fármacos y como agente antitumoral. La inserción de materiales extraños en el cuerpo a menudo desencadena una respuesta inmune, que puede tener una variedad de resultados positivos o negativos dependiendo de la respuesta del cuerpo al material. Implantar algo hecho a partir de proteínas sintetizadas naturalmente, como un implante a base de queratina, tiene el potencial de ser reconocido como tejido natural por el cuerpo. Esto puede conducir a la integración en casos raros en los que la estructura del implante promueve el recrecimiento de tejido con el implante formando una superestructura o la degradación del implante en la que el cuerpo reconoce la estructura de las proteínas para su escisión.

Ver también

Referencias

23. Kuivaniemi, Helena y Gerard Tromp. "Colágeno tipo III (COL3A1): estructura de genes y proteínas, distribución tisular y enfermedades asociadas". Gene vol. 707 (2019): 151-171. doi: 10.1016 / j.gene.2019.05.003

enlaces externos