Fibra natural
Las fibras naturales (ver diferencias ortográficas) son fibras que se producen por procesos geológicos, oa partir de cuerpos de plantas o animales. Se pueden usar como componente de materiales compuestos, donde la orientación de las fibras afecta las propiedades. Las fibras naturales también se pueden matear en hojas para hacer papel o fieltro.
La evidencia más temprana de humanos usando fibras es el descubrimiento de lana y fibras de lino teñidas encontradas en una cueva prehistórica en la República de Georgia que datan de 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 una menor densidad, un mejor aislamiento térmico y una menor irritación de la piel. Además, a diferencia de las fibras de vidrio, las bacterias pueden descomponer las fibras naturales una vez que ya no se usan.
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 | ocultartipos |
|---|---|
| fibra de semilla | Las fibras recolectadas de las semillas de varias plantas se conocen como fibras de semillas. El ejemplo más relevante es el algodón. |
| Fibra de hoja | Las fibras recolectadas de las células de una hoja se conocen como fibras de hoja, por ejemplo, plátano, piña (PALF), etc. |
| Fibra basta | Las fibras de bast se recolectan de las capas de células 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 (coir). |
| fibra de tallo | Fibras de los tallos de las plantas, por ejemplo, paja 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, tendón, lana, catgut, angora, mohair y alpaca.
- Pelo (lana o pelos) de animales: 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
La quitina es el segundo polímero natural más abundante en el 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 solventes. También tiene una baja toxicidad en el cuerpo 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 al azar que proporcionan la resistencia mecánica de la capa orgánica en diferentes materiales biológicos.
La quitina brinda protección y soporte estructural a muchos organismos vivos. Constituye las paredes celulares de hongos y levaduras, las conchas de moluscos, los exoesqueletos de insectos y artrópodos. En caparazones y exoesqueletos, las fibras de quitina contribuyen a su estructura jerárquica.
En la naturaleza, la quitina pura (100% de acetilación) no existe. En cambio, existe como un copolímero con el derivado desacetilado de la quitina, el quitosano. Cuando la composición acetilizada del copolímero está acetilada en más del 50%, se trata de quitina. Este copolímero de quitina y quitosano es un copolímero aleatorio o de bloques.
Quitosano
El quitosano es un derivado desacetilado de la quitina. Cuando la composición acetilizada del copolímero está por debajo del 50% se trata de quitosano. El quitosano es un “polímero semicristalino de β-(1-4)-2-amino-2-desoxi-D-glucosa”. 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 hidrofílico y tiene sensibilidad al pH. Debido a su facilidad de procesamiento, el quitosano se usa 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 huesos y paredes arteriales); Tipo II (un componente del cartílago); Tipo III (a menudo encontrado 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 en el cuerpo.
Bordillo
La queratina es una proteína estructural que se encuentra 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 queratina alfa es helicoidal y la queratina beta tiene forma de lámina. La queratina alfa se encuentra en el cabello, la piel, las uñas, los cuernos y las púas de los mamíferos, mientras que la queratina beta se puede encontrar en especies de aves y reptiles en escamas, plumas y picos. Las dos estructuras diferentes de 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 queratina alfa están muy alineados, lo que proporciona una resistencia a la tracción de aproximadamente 200 MPa.
Propiedades
En comparación con las fibras sintéticas, las fibras naturales tienden a tener menor rigidez y resistencia.
| Material | Fibra | Módulo elástico (GPa) | Fuerza (MPa) |
|---|---|---|---|
| Tendón | Colágeno | 1.50 | 150 |
| Hueso | Colágeno | 20.0 | 160 |
| Exoesqueleto de cangrejo de barro (húmedo) | quitina | 0.48 | 30 |
| Exoesqueleto de gamba (húmedo) | quitina | 0,55 | 28 |
| pezuña bovina | 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 en el sentido de que la rigidez aumenta con la velocidad de deformación, también conocida 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 endurecimiento por deformación. Las propiedades de las fibras naturales también dependen del contenido de humedad en 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 ductilidad y tenacidad mejoradas. El agua desempeña el papel de un plastificante, una pequeña molécula que facilita el paso de las cadenas de polímeros y, al hacerlo, aumenta la ductilidad y la dureza. 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 se hidrata, el módulo de Young del colágeno 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.
Aplicaciones
Uso industrial
De valor industrial son 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 biocompositos, son una fibra natural en una matriz de polímeros sintéticos. Uno de los primeros plásticos reforzados con biofibra en uso fue una fibra de celulosa en fenólicos en 1908. El uso incluye aplicaciones donde la absorción de energía es importante, como aislamiento, paneles que absorben el ruido o áreas plegables en automóviles.
Las fibras naturales pueden tener diferentes ventajas sobre las fibras de refuerzo sintéticas. 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 compuestos reforzados con fibras naturales incluyen poca resistencia (las fibras naturales no son tan fuertes como las fibras de vidrio) y dificultad para unir las fibras y la matriz. Las matrices de polímeros hidrofóbicos ofrecen una adhesión insuficiente para las fibras hidrofílicas.
Nanocompuestos
Los nanocompuestos son deseables por sus propiedades mecánicas. Cuando los rellenos en un compuesto están 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 de tamaño nanométrico son marcadamente diferentes a las de su componente principal.
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 nanocompuestos. A partir de 2010, la mayoría de los nanocompuestos de polímeros sintéticos exhiben una tenacidad y propiedades mecánicas inferiores en comparación con los nanocompuestos biológicos. Existen nanocompuestos completamente sintéticos, sin embargo, los biopolímeros de tamaño nanométrico también se están probando en matrices sintéticas. En los nanocompuestos se están utilizando varios tipos de fibras nanométricas a base de proteínas. Estos incluyen colágeno, celulosa, quitina y tunicano. Estas proteínas estructurales deben procesarse antes de su uso en compuestos.
Para usar la celulosa como ejemplo, las microfibrillas semicristalinas se cortan en la región amorfa, lo que da como resultado la celulosa microcristalina (MCC). Estas pequeñas fibrillas de celulosa cristalina se reclasifican en este punto como bigotes y pueden tener un diámetro de 2 a 20 nm con formas que van desde esféricas a cilíndricas. Se han utilizado filamentos de colágeno, quitina y celulosa para fabricar nanocompuestos biológicos. La matriz de estos compuestos son comúnmente polímeros sintéticos hidrófobos como el polietileno y el 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 provocan propiedades mecánicas muy pobres. En un composite MCC, sin embargo, 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 composite 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 área superficial/volumen, las fibras tienen tendencia a agregarse, más que en los compuestos a microescala. Además, el procesamiento secundario de las fuentes de colágeno para obtener microfibrillas de colágeno de suficiente pureza agrega un grado de costo y desafío a la creación de una celulosa que soporta carga u otro nanocompuesto basado en 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 los contaminantes industriales del agua, se han procesado 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, vehículo y excipiente de fármacos, y como agente antitumoral.La inserción de materiales extraños en el cuerpo a menudo desencadena una respuesta inmunitaria, que puede tener una variedad de resultados positivos o negativos según la respuesta del cuerpo al material. Implantar algo hecho de proteínas sintetizadas naturalmente, como un implante basado en 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 nuevo crecimiento de tejido con el implante formando una superestructura o la degradación del implante en la que el cuerpo reconoce los esqueletos de las proteínas para su escisión.