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Fibra natural

Las fibras naturales (véanse las diferencias ortográficas ) son fibras producidas por procesos geológicos o provenientes de los cuerpos de plantas o animales . [ 1 ] Se pueden u...

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Las fibras naturales (véanse las diferencias ortográficas ) son fibras producidas por procesos geológicos o provenientes de los cuerpos de plantas o animales . [ 1 ] Se pueden utilizar como componente de materiales compuestos , donde la orientación de las fibras influye en sus propiedades. [ 2 ] Las fibras naturales también se pueden compactar en láminas para fabricar papel o fieltro . [ 3 ] [ 4 ]

La evidencia más antigua del uso humano de fibras es el descubrimiento de fibras de lana y lino teñidas encontradas en una cueva prehistórica en la República de Georgia que datan de hace 36.000 años . [ 5 ] [ 6 ] Las fibras naturales se pueden utilizar para aplicaciones de alta tecnología, como piezas compuestas para automóviles y suministros médicos. 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 generalmente renovables y biodegradables, y tienden a descomponerse más rápido que las fibras sintéticas , aunque las tasas de descomposición y los impactos ambientales varían según el tipo de fibra. [ 7 ]

Las fibras naturales son buenas absorbentes de agua y se presentan en diversas texturas. Las fibras de algodón , por ejemplo, producen telas ligeras, suaves al tacto y disponibles en una amplia variedad de tamaños y colores. Las personas que viven en climas cálidos y húmedos suelen preferir la ropa de fibras naturales como el algodón a la de fibras sintéticas .

fibras vegetales

fibras animales

Las fibras animales generalmente se componen de proteínas como el colágeno , la queratina y la fibroína ; algunos ejemplos son la seda , los tendones , la lana y el catgut .

  • Pelo animal (lana o pelos): Fibra o lana obtenida 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 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 , después del colágeno. Es un polisacárido lineal de β-(1-4)-2-acetamido-2-desoxi-D-glucosa. [ 11 ] La quitina es altamente cristalina y generalmente está compuesta por cadenas organizadas en una lámina β. Debido a su alta cristalinidad y estructura química, es insoluble en muchos disolventes. Además, presenta baja toxicidad en el organismo y es inerte en los intestinos. La quitina también posee propiedades antibacterianas. [ 12 ]

La quitina forma cristales que dan lugar a fibrillas rodeadas de proteínas. Estas fibrillas pueden agruparse para formar fibras más grandes que contribuyen a la estructura jerárquica de muchos materiales biológicos. [ 13 ] Estas fibrillas pueden formar redes orientadas aleatoriamente que proporcionan la resistencia mecánica de la capa orgánica en diferentes materiales biológicos. [ 14 ]

La quitina proporciona protección y soporte estructural a muchos organismos vivos. Constituye las paredes celulares de hongos y levaduras, las conchas de moluscos y los exoesqueletos de insectos y artrópodos . En las conchas y los exoesqueletos, las fibras de quitina contribuyen a su estructura jerárquica. [ 11 ]

En la naturaleza, la quitina pura (100 % acetilada ) no existe. En cambio, existe como un copolímero con el derivado desacetilado de la quitina, el quitosano. Cuando la composición acetilada del copolímero supera el 50 %, se trata de quitina. [ 13 ] Este copolímero de quitina y quitosano es un copolímero aleatorio o de bloques. [ 11 ]

Quitosano

Estructura química de la cadena de quitosano

El quitosano es un derivado desacetilado de la quitina. Cuando la composición acetilada del copolímero es inferior al 50%, se trata de quitosano. [ 13 ] El quitosano es un polímero semicristalino de β-(1-4)-2-amino-2-desoxi-D-glucosa. [ 11 ] Una diferencia entre la quitina y el quitosano es que este último es soluble en soluciones acuosas ácidas. El quitosano es más fácil de procesar que la quitina, pero es menos estable debido a su mayor hidrófiloidad y sensibilidad al pH. Gracias a su facilidad de procesamiento, el quitosano se utiliza en aplicaciones biomédicas. [ 12 ]

Colágeno

El colágeno es una proteína estructural, a menudo denominada "el acero de los materiales biológicos". [ 15 ] Existen varios tipos de colágeno: Tipo I (presente en la piel, tendones y ligamentos, vasos sanguíneos y órganos, así como en dientes, huesos y paredes arteriales); Tipo II (componente del cartílago); Tipo III (que se encuentra frecuentemente en fibras reticulares ); y otros. El colágeno posee una estructura jerárquica, formando triple hélices, fibrillas y fibras. El colágeno es una familia de proteínas que sostienen y fortalecen numerosos tejidos del cuerpo.

Bordillo

Diagrama que muestra la creación de la estructura helicoidal de las alfa-queratinas.

La queratina es una proteína estructural ubicada en las superficies duras de muchos vertebrados. Presenta dos formas, α-queratina y β-queratina , presentes en diferentes clases de cordados. La nomenclatura de estas queratinas sigue la de las estructuras proteicas: la α- queratina tiene una estructura helicoidal y la β- queratina, una estructura laminar. La α-queratina se encuentra en el pelo, la piel, las uñas, los cuernos y las plumas de los mamíferos , mientras que la β-queratina se halla en las escamas, las plumas y los picos de aves y reptiles . Las dos estructuras de queratina presentan propiedades mecánicas distintas, como se observa en sus diferentes aplicaciones. La alineación relativa de las fibrillas de queratina influye significativamente en las propiedades mecánicas. En el cabello humano, los filamentos de α-queratina están altamente alineados, lo que confiere una resistencia a la tracción de aproximadamente 200 MPa. Esta resistencia es un orden de magnitud superior a la de las uñas humanas (20 MPa), debido a la mayor alineación de los filamentos de queratina del cabello humano. [ 11 ]

Propiedades

Las fibras naturales tienden a tener menor rigidez y resistencia en comparación con las fibras sintéticas. [ 11 ]

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. [ 11 ] Muchas fibras naturales exhiben sensibilidad a la velocidad de deformación debido a su naturaleza viscoelástica. [ 16 ] 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 exhiba endurecimiento por deformación. [ 13 ] Las propiedades de las fibras naturales también dependen del contenido de humedad en la fibra. [ 11 ]

Dependencia de la humedad

La presencia de agua desempeña un papel crucial en el comportamiento mecánico de las fibras naturales. Las plantas dependen del agua para crecer. Si la humedad es demasiado alta, se produce moho y bacterias. La humedad también aumenta la cantidad de plagas alrededor de las plantas. Los biopolímeros hidratados generalmente presentan mayor ductilidad y tenacidad. El agua actúa como plastificante , una molécula pequeña que facilita el paso de las cadenas poliméricas, aumentando así la ductilidad y la tenacidad. Al utilizar fibras naturales en aplicaciones distintas a su uso original, debe tenerse en cuenta el nivel de hidratación inicial. 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 tenaz. Además, la densidad del colágeno disminuye de 1,34 a 1,18 g/ cm³ . [ 11 ]

Aplicaciones

Conocimientos del siglo XIX sobre el tejido de lino , cáñamo , yute , cáñamo de Manila , sisal y fibras vegetales.

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. El algodón para textiles es el material dominante en términos de escala de producción y uso. [ 17 ]

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 biocompuestos, consisten en una fibra natural en una matriz de polímeros sintéticos. [ 1 ] Uno de los primeros plásticos reforzados con biofibras que se utilizó fue una fibra de celulosa en fenólicos en 1908. [ 1 ] Su uso incluye aplicaciones donde la absorción de energía es importante, como el aislamiento, los paneles absorbentes de ruido o las áreas plegables en los automóviles. [ 18 ]

Las fibras naturales pueden tener diferentes ventajas sobre las fibras de refuerzo sintéticas. Principalmente son biodegradables y renovables. Además, suelen tener densidades bajas y menores costos de procesamiento que los materiales sintéticos. [ 18 ] [ 19 ] Los problemas de diseño con compuestos reforzados con fibras naturales incluyen una resistencia baja (las fibras naturales no son tan resistentes como las fibras de vidrio) y la dificultad para unir las fibras a la matriz. Las matrices de polímeros hidrofóbicos ofrecen una adhesión insuficiente para las fibras hidrofílicas. [ 18 ]

Nanocompuestos

Los nanocompuestos son deseables por sus propiedades mecánicas. Cuando los rellenos en un compuesto tienen un tamaño nanométrico , la relación superficie-volumen del material de relleno es alta, lo que influye en las propiedades macroscópicas del compuesto en mayor medida que en los compuestos tradicionales. Las propiedades de estos elementos a nanoescala difieren notablemente de las de su componente macroscópico.

En cuanto a las fibras naturales, algunos de los mejores ejemplos de nanocompuestos se encuentran en la 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 tenacidad y propiedades mecánicas inferiores en comparación con los nanocompuestos biológicos. [ 20 ] Existen nanocompuestos completamente sintéticos, sin embargo, también se están probando biopolímeros de tamaño nanométrico en matrices sintéticas. Se están utilizando varios tipos de fibras de tamaño nanométrico basadas en proteínas en nanocompuestos. Estos incluyen colágeno, celulosa, quitina y tunicano. [ 21 ] Estas proteínas estructurales deben procesarse antes de su uso en compuestos.

Tomando como ejemplo la celulosa, las microfibrillas semicristalinas se cortan en la región amorfa, dando como resultado 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 varían de esféricas a cilíndricas. Los bigotes de colágeno, quitina y celulosa se han utilizado para fabricar nanocompuestos biológicos. La matriz de estos compuestos suele estar formada por polímeros sintéticos hidrofóbicos como el polietileno y el cloruro de polivinilo, así como por copolímeros de poliestireno y poliacrilato. [ 21 ] [ 20 ]

Tradicionalmente, en la ciencia de los materiales compuestos, se requiere una interfaz fuerte entre la matriz y el relleno para lograr propiedades mecánicas favorables. Si esto no ocurre, las fases tienden a separarse a lo largo de la interfaz débil, lo que resulta en propiedades mecánicas muy deficientes. Sin embargo, en un material compuesto MCC, esto no sucede: si la interacción entre el relleno y la matriz es más fuerte que la interacción entre las partículas de relleno, la resistencia mecánica del material compuesto disminuye notablemente. [ 21 ]

Las dificultades en los nanocompuestos de fibras naturales surgen de la dispersión y la tendencia de las fibras pequeñas a agregarse en la matriz. Debido a la alta relación superficie-volumen, las fibras tienden a agregarse, más que en los compuestos a microescala. Además, el procesamiento secundario de las fuentes de colágeno para obtener microfibrillas de colágeno con la pureza suficiente aumenta el costo y la complejidad de la creación de un nanocompuesto de celulosa u otro relleno con capacidad de carga. [ 21 ]

Biomateriales y biocompatibilidad

Las fibras naturales suelen ser prometedoras como biomateriales en aplicaciones médicas. La quitina destaca especialmente y se ha incorporado a diversos usos. Los materiales a base de quitina también se han utilizado para eliminar contaminantes industriales del agua, se han procesado en fibras y películas, y se han utilizado como biosensores en la industria alimentaria. [ 22 ] La quitina también se ha utilizado en varias aplicaciones médicas. Se ha incorporado como material de relleno óseo para la regeneración de tejidos, como portador de fármacos y excipiente , y como agente antitumoral. [ 23 ] La inserción de materiales extraños en el cuerpo suele desencadenar una respuesta inmunitaria, que puede tener diversos resultados positivos o negativos dependiendo de la respuesta del organismo al material. La implantación de algo hecho 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 donde la estructura del implante promueve el crecimiento del tejido con el implante formando una superestructura, o a la degradación del implante en la que las cadenas principales de las proteínas son reconocidas para su escisión por el cuerpo. [ 22 ] [ 23 ]

Véase también

Referencias

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