Transcript prirodni rostlinna vlakna

Přírodní rostlinná vlákna
•
•
•
•
Rostlinná buňka
Stavba buněčné stěny a rostlinných vláken
Chemické složení vláken
Příklady vláken
Rostlinná buňka
Měřítko velikostí
Stavba buněčné stěny a
rostlinných vláken
Vztah mezi strukturou, procesem, složkou a
modulem pružnosti
Mikrofibrily celulózy –
vyztužující vlákna
v buněčné stěně
• Mikrofibrily celulózy je možné
získat mechanicko – chemickými
pochody z nejrůznějších
přírodních surovin (dřevo,
cukrová řepa, brambory, atd.).
• horní obr. – optická mikroskopie,
elementární vlákno konopí,
zvětšení 1024 krát
• dolní obr. – elektronová
mikroskopie, vysoce mletá
papírovina
Mikrofibrily celulózy
• Průměr mikrofibril:
řádově desítky nanometrů.
• Délka mikrofibril:
řádově stovky nanometrů.
• Celulózové mikrofibrily jsou
svazky napřímených
celulózových molekulárních
řetězců o tloušťce cca 12 nm.
• Youngův modul dosahuje až
134 GPa, pevnost předpokládaná
2 GPa,
experimentálně získaná 1,7 GPa,
hustota 1,5 g/cm3.
Mikrofibrily celulózy
• Mikrofibrily celulózy je možné
díky jejich rozměrům zahrnout do
skupiny tzv. nanostrukturních
materiálů.
• Tato nanovlákna jsou zároveň
biologicky odbouratelná.
• Jejich fyzikálně-mechanické
vlastnosti jsou srovnatelné
s vlákny uměle vyrobenými.
Fig. 1. Low dose TEM observation of homogenized cellulose microfibrils
suspension obtained from Opuntia ficus-indica.
Celulóza
• Přírodní rostlinná vlákna
jsou tvořena
nejrozšířenější
organickou sloučeninou –
makromolekulární
látkou – celulózou, která
tvoří stěny rostlinných
buněk.
• Každý rok se na naší Zemi vytváří
přirozenou cestou nepředstavitelné
množství tohoto jedinečného přírodního
materiálu.
• Pokud splní svůj přírodou
naprogramovaný úkol, je také přírodou
degradován za účelem poskytnutí
stavebních prvků pro vznik další nové
hmoty.
Celulóza
• Elementární složení celulózy:
44,40 % C
6,17 % H
49,39 % O
(C6H10O5)n
Poměrná molekulová hmotnost
je 162.
• Krystalická látka,
nerozpustná ve vodě,
v přírodě se rozkládá.
Celulóza
Pro člověka je celulóza
nestravitelná.
Celulóza
• V bavlně se celulóza vyskytuje
téměř v čisté podobě (i přes
94%).
• U ostatních vláken je ve větší
míře provázena hemicelulózou,
ligninem, pektiny, pryskyřicemi,
tříslovinami a jinými látkami.
Porovnání chemického složení jednotlivých přírodních
rostlinných vláken
typ
vlákna
celulóza
[% hmotn.]
lignin
[% hmotn.]
hemicelulóza
[% hmotn.]
pektiny
[% hmotn.]
Vosky
[% hmotn.]
úhel stoupání
mikrofibril
[ °]
obsah vlhkosti
[% hmotn.]
juta
61 – 71,5
12,0 – 13,0
13,6 – 20,4
0,2
0,5
8,0
12,6
len
71
2,2
18,6 – 20,6
2,3
1,7
10,0
10,0
konopí
70,2 – 74,4
3,7 – 5,7
17,9 – 22,4
0,9
0,8
6,2
10,8
ramie
68,6 – 76,2
0,6 – 0,7
13,1 – 16,7
1,9
0,3
7,5
8,0
kenaf
31,0 – 39,0
15,0 – 19,0
21,5
-
-
-
-
sisal
67,0 – 78,0
8,0 – 11,0
10,0 – 14,2
10,0
2,0
20,0
11,0
ananas
70,0 – 82,0
5,0 – 12,0
-
-
-
14,0
11,8
77,6
13,1
4,0 – 8,0
-
-
-
-
82,7
-
5,7
-
0,6
-
-
ze stonků
z listů
henequen
ze semen
bavlna
z plodů
kokos
36,0 – 43,0
41,0 – 45,0
0,15 – 0,25
3,0 – 4,0
-
41,0 – 45,0
8,0
Porovnání vybraných vlastností přírodních rostlinných
vláken a vláken běžně používaných v kompozitních
systémech
typ vlákna
hustota
[g/cm3]
průměr
vlákna
[μm]
mez
pevnosti v tahu
[MPa]
Youngův modul
pružnosti
[GPa]
protažení
při lomu
[%]
bavlna
1,5 – 1,6
-
287 – 800
5,5 – 12,6
7,0 – 8,0
juta
1,3 – 1,45
25 – 200
393 – 773
13 – 26,5
1,2 – 1,5
len
1,5
-
345 – 1100
27,6
2,7 – 3,2
konopí
1,5
-
690
-
1,6
ramie
1,5
-
400 – 938
61,4 – 128,0
1,2 – 3,8
sisal
1,45
50 – 200
468 – 640
9,4 – 22,0
3,0 – 7,0
ananas
-
20 – 80
413 – 1627
34,5 – 82,5
1,6
kokos
1,15
100 – 450
131 – 175
4,0 – 6,0
15,0 – 40,0
E-sklo
2,5
-
2000 – 3500
70,0
2,5
S-sklo
2,5
-
4570
86,0
2,8
aramid
1,4
-
3000 – 3150
63,0 – 67,0
3,3 – 3,7
uhlík
1,7
-
4000
230,0 – 240,0
1,4 – 1,8
Bavlna
Bavlna
• Přírodní rostlinná vlákna jsou tvořena nejrozšířenější organickou
sloučeninou – makromolekulární látkou – celulózou, která tvoří stěny
rostlinných buněk.
• Elementární složení celulózy je
44,4% C - 6,17 % H - 49,39 % O2
(C6H10O5)n
Poměrná molekulová hmotnost je162.
Pro každý druh rostlinných vláken je počet opakujících se jednotek jiný.
V bavlně se celulóza vyskytuje v téměř čisté podobě
(i přes 99%), u ostatních vláken je provázena ligninem, pektinem,
pryskyřicemi, tříslovinami a jinými látkami.
Bavlna
• Podle archeologických zpráv se bavlna pěstovala již v 5.tisíciletí
př.n.l.v Indii, ve 3.tisíciletí př.n.l. v Jižní Americe. Do Čech se
dostala ve 13.století jako vycpávkový materiál.
• V roce 1868 bylo vynalezeno její mechanické spřádání, v roce
1888 mechanický stav v Anglii.
• Bavlník (Gossypium) – 40 druhů, využívá se 5 základních –
bavlník keřovitý, srstnatý, bylinný, peruánský, stromový.
• Výška keřů až 6 m dle typu, elementární vlákna až 50 mm.
Bavlna – morfologie bavlněného vlákna
• Vlákno je jediná buňka vyrůstající z pokožky semena. Nejprve
roste jako tenkostěnná trubička do délky. Ta je vyplněna
protoplazmou (zajišťuje výživu vlákna v době růstu). Postupem
času jsou pozorovány přírůstky celulózových prstenců – lamel –
směrem dovnitř vlákna na úkor protoplazmy. Počet prstenců je
závislý na době zrání – tloušťka celulózové vrstvy ovlivňuje
vlastnosti bavlněného vlákna.
• Vlákno má charakter zkroucené stužky, v příčném řezu
fazolovitého tvaru.
Bavlna – morfologie bavlněného vlákna
Bavlna – chemické složení bavlněného vlákna
•
•
•
•
Závisí na druhu bavlny
Na stupni zralosti
Na půdních a jiných podmínkách
Za průměrné složení se považuje:
94,0 % celulózy, 1,3 % proteinu, 1,2 % pektinu, 1,2 % popele,
0,6 % vosků, 0,3 % cukrů, stopy pigmentu a 1,4 % ostatních
látek.
Bavlna – vlastnosti bavlněných vláken
• Délka vlákna – 1,2 až 5,5 cm
• Jemnost vláken 0,8 až 2,85 dtex
• Základní jednotka délkové hustoty vyjadřující jemnost
chemických vláken nebo přízí, je to číslo, udávající v gramech
hmotnost 1000 m příze.
• Měrná pevnost za sucha – 297 až 470 mN/tex
• Pevnost za mokra – 100 až 110 % pevnosti za sucha
• Poměrné prodloužení za sucha – 6 až 10 %
• Poměrné prodloužení za mokra – 7 až 11 %
• Měrná hmotnost 1,52 g/cm3
Bavlna – vlastnosti bavlněných vláken
• Bavlněná vlákna při teplotě 120oC zvolna žloutnou, při 150oC
hnědnou, při 400oC vzplanou
• Působením slunečního záření postupně žloutnou a ztrácí
pevnost
• Vykazuje dobré elektroizolační a tepelně izolační vlastnosti
• Působením alkálií botná, průřez vlákna se zaobluje, lumen se
zužuje, stužkovitý tvar se vyrovnává a zvyšuje se lesk
• Působením minerálních kyselin dochází k hydrolýze –
koncentrace, teplota, čas
Bavlna – použití
• Mnohostranné.
• Výrobky osobní spotřeby, bytové textilie, výrobky pro
zdravotnické potřeby, průmyslové použití.
Len
Len
• Jednoletá, jednodomá
rostlina z čeledi lnovitých
• Pěstování doloženo
archeologicky – již v mladší
době kamenné
• Různé druhy – u nás len
přádný – až 1m dlouhé
stonky
Len – chemické složení lněného vlákna
• 74% celulózy, 17% hemicelulózy, 2% ligninu, 1,7% pektinů,
3,8% látek nerozpustných ve vodě, 1,5% tuků a vosků
Len
• Je tvořeno z vláken
elementárních, jejichž tvar
odpovídá až šestibokému
hranolu, jehož oba konce
jsou zakončeny špičkami
• Vlákno je tvořeno z několika
vrstev
Len
Len – vlastnosti lněných vláken
• Délka technického vlákna – 60 až 80 cm, délka elementárního
vlákna – 2,5 až 3 cm
• Tloušťka technického vlákna – 600 μm, elementárního – 15 až
18 μm
• Měrná pevnost za sucha 440 až 530 mN/tex
• Pevnost za mokra – 115 až 120 % pevnosti za sucha
• Poměrné prodloužení za sucha – 0,6 až 1,8 %
• Poměrné prodloužení za mokra – 0,7 až 2,2 %
• Měrná hmotnost 1,44 g/cm3
• Obsah vlhkosti za normálních klimatických podmínek – 15 %
Len – vlastnosti lněných vláken
• Do teploty 120oC odolný, dále ztrácí barvu, účinkem slunečního
záření postupně ztrácí pevnost
• Špatně izoluje elektřinu, dobře vede teplo, vůči alkáliím je
odolný, kyseliny vlákno narušují – hydrolýza, účinek je závislý
na koncentraci, teplotě a čase.
Použití lnu
• Tkaniny s chladivý omakem, technická plátna, dopravní pásy,
hnací řemeny, šicí a průmyslové nitě.
Konopí
Konopí
• Jednoletá dvoudomá rostlina – Canabis sativa – kulturní konopí
– vzniklo z konopí divokého
• Různé druhy – konopí severské, středněruské, jižní a hašišné –
špatná kvalita vláken
Konopí – chemické složení konopného vlákna
• 70 až 75 % celulózy, 8 až 15 % hemicelulózy, 8 až 12 % ligninu,
0,5 až 1 % popelovin, 2 až 4 % tuků a vosků, 10 až 12 %
vlhkosti
Konopí – morfologie konopného vlákna
• Elementární vlákna jsou
buňky vřetenovitého tvaru s
tupými, případně
rozvidlenými konci, v průřezu
u mladého stonku téměř
kulatá, později
mnohoúhelníkového tvaru
Konopí – vlastnosti konopných vláken
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Délka technického vlákna – 1 až 2 m
Délka elementárních vláken – 1,5 až 2 cm
Tloušťka elementárních vláken – 15 až 50 μm
Měrná pevnost za sucha 290 až 700 mN/tex
Pevnost za mokra – 115 % pevnosti za sucha
Poměrné prodloužení za sucha 1,5 až 3 %
Poměrné prodloužení za mokra – až 4 %
Měrná hmotnost 1,48 g/cm3
Obsah vlhkosti za normálních klimatických podmínek – 13 %
Odolnost vůči povětrnostním vlivům je z přírodních vláken nejvyšší
Použití konopí
• Zpracovává se především jako technické vlákno převážně do
výrobků, u kterých je potřebná velká pevnost a odolnost proti
vlhkosti a povětrnostním vlivům.
• Technické tkaniny, plachtoviny, popruhy, dopravní pásy,
základní kobercové tkaniny, lana, provazy.
Konopí – suchá vlákna
• Mikroskopické snímky
krátkých suchých
konopných vláken (2
až 5 mm).
• Zvětšení 102 krát a
256 krát.
Konopí – nabotnalá
vlákna
• Mikroskopické snímky
krátkých konopných
vláken, které byly po
dobu 48 hodin ve vodě.
• Zvětšení 102 krát a 256
krát.
Konopí – vlákna po
botnání a úpravě
• Mikroskopické snímky krátkých
konopných vláken, které byly po
dobu 48 hodin ve vodě, poté 24
hodin ve 2% NaOH.
• Zvětšení 256 krát a 1024 krát.
• Patrné rozvlákňování konců
elementárních vláken, ke kterému
dochází pouze zřídka.
Konopí – vlákna po
botnání a úpravě
• Mikroskopické snímky krátkých
konopných vláken, které byly po
dobu 4 hodin ve vodě, poté
míchány v mixéru 15 minut,
vystaveny varu 15 minut, opět
míchány 15 minut a 12 hodin v
roztoku oxidačního činidla „D“.
• Zvětšení 256 krát.
• Patrné rozvlákňování konců
elementárních vláken ve
výrazně větším měřítku.
Konopí – vlákna po
botnání a úpravě
• Mikroskopické snímky krátkých
konopných vláken, které byly po
dobu 4 hodin ve vodě, poté
míchány v mixéru 15 minut,
vystaveny varu 15 minut, opět
míchány 15 minut a 12 hodin v
roztoku oxidačního činidla „D“.
• Zvětšení 256 krát a 1024 krát.
• Patrné nejen rozvlákňování
konců elementárních vláken ve
výrazně větším měřítku ale i
praskání středních částí
elementárních vláken.
Konopí – vlákna po
botnání a úpravě
• Mikroskopické snímky krátkých
konopných vláken, které byly po
dobu 4 hodin ve vodě, poté
míchány v mixéru 15 minut,
vystaveny varu 15 minut, opět
míchány 15 minut a 12 hodin v
roztoku oxidačního činidla „D“.
• Zvětšení 256 krát 1024 krát.
• Patrné rozvlákňování konců
elementárních vláken ve výrazně
větším měřítku.
Konopí – vlákna po
botnání a úpravě
• Mikroskopické snímky krátkých
konopných vláken, které byly po
dobu 4 hodin ve vodě, poté
míchány v mixéru 15 minut,
vystaveny varu 15 minut, opět
míchány 15 minut a 12 hodin v
roztoku oxidačního činidla „D“.
• Zvětšení 1024 krát.
• Patrné rozvlákňování konců
elementárních vláken ve výrazně
větším měřítku.
Konopí – vlákna po
botnání a úpravě
• Mikroskopické snímky krátkých
konopných vláken, které byly po
dobu 4 hodin ve vodě, poté
míchány v mixéru 15 minut,
vystaveny varu 15 minut, opět
míchány 15 minut a 12 hodin v
roztoku oxidačního činidla „D“.
• Zvětšení 1024 krát.
• Horní snímek – neporušené
elementární vlákno.
• Dolní snímek – rozvlákněné
elementární vlákno.
Juta
Juta
• Corchorum capsularis – jednoletá tropická rostlina
• Vlákno obsahuje cca 64 % celulózy, značně navlhavé – 34 %,
za sucha degraduje pomalu, za vlhka a tepla rychle.
• Stavba stonku je obdobná jako u předcházejících vláken.
• Použití – obalové tkaniny, lana, pytle.
Juta
Ramie
Ramie
• Vytrvalá víceletá tropická rostlina
• Obsah celulózy je cca 68 %.
• Příčný řez jednobuněčných elementárních vláken má ledvinovitý
nebo oválný tvar.
• Použití - v místech produkce se využívá pro jemný omak a
hedvábný lesk – tkaniny (damašky, nitě)
Ramie
Sisal
Sisal
• Sisal je agávové vlákno z listů rostliny Agave sisalana.
• Obsah celulózy cca 66 %
• Příčný řez jednobuněčných elementárních vláken je
mnohoúhelník se zaoblenými rohy
• Vlákno se zpracovává jako technické, tržná délka je až 40 km,
výroba lan, provazů, koberců.
Sisal
Manilské konopí
Manilské konopí
• Abaka – banánové vlákno z listů tropické rostliny stromovitého
vzrůstu Musa textilis
• Tržná délka 40 až 70 km.
• Výroba lodních lan, rybářských sítí
Kokosová vlákna
Kokosová vlákna
• Získávají se ze střední vrstvy oplodí kokosových ořechů.
• Vlákna jsou vysoce odolná vůči oděru a působení vlhkosti
• Lodní lana, sítě, kartáče.
Kokosová vlákna
Problémy při určování mechanických vlastností
přírodních vláken
•
•
•
•
Měřená délka vlákna
Určení plochy průřezu
Stanovení prodloužení
Určení modulu pružnosti
Problematika biodegradovatelných kompozitů na
katedře materiálu
• Studium možností přípravy biodegradovatelných kompozitních
materiálů.
• Hodnocení materiálových parametrů.
• Studium problematiky adheze přírodního vlákna a polymeru a
možnosti jejího ovlivnění.
• Řešení problematiky řízené degradace biodegradovatelných
kompozitních materiálů.