Fibre naturelle - Natural fiber

Les fibres naturelles ou fibres naturelles (voir différences orthographiques ) sont des fibres produites par des processus géologiques , ou à partir du corps de plantes ou d' animaux . Ils peuvent être utilisés comme composant de matériaux composites , où l'orientation des fibres impacte les propriétés. Les fibres naturelles peuvent également être emmêlées en feuilles pour fabriquer du papier ou du feutre .

La première preuve de l'utilisation de fibres par l'homme est la découverte de fibres de laine et de lin teintes trouvées dans une grotte préhistorique de la République de Géorgie qui remonte à 36 000 ans BP . Les fibres naturelles peuvent être utilisées pour des applications de haute technologie, telles que des pièces composites pour automobiles. Par rapport aux composites renforcés de fibres de verre , les composites à fibres naturelles présentent des avantages tels qu'une densité plus faible, une meilleure isolation thermique et une irritation cutanée réduite. De plus, contrairement aux fibres de verre, les fibres naturelles peuvent être décomposées par les bactéries une fois qu'elles ne sont plus utilisées.

Les fibres naturelles sont de bons absorbants de transpiration et peuvent être trouvées dans une variété de textures. Les fibres de coton fabriquées à partir de la plante de coton, par exemple, produisent des tissus légers, de texture douce et qui peuvent être fabriqués en différentes tailles et couleurs. Les vêtements en fibres naturelles comme le coton sont souvent préférés aux vêtements en fibres synthétiques par les personnes vivant dans des climats chauds et humides.

Fibres végétales

Catégorie les types
Fibre de graines Les fibres recueillies à partir des graines de diverses plantes sont appelées fibres de graines.
Fibre de la feuille Les fibres collectées à partir des cellules d'une feuille sont appelées fibres de feuille, par exemple banane, ananas (PALF), etc.
Fibre libérienne Les fibres libériennes sont collectées dans les couches cellulaires externes de la tige de la plante. Ces fibres sont utilisées pour les fils, les tissus, les emballages et le papier durables. Quelques exemples sont le lin , le jute , le kénaf , le chanvre industriel , la ramie , le rotin et les fibres de vigne .
Fibre de fruits Fibres collectées à partir du fruit de la plante, par exemple, la fibre de coco ( coir ).
Fibre de tige Fibres de tiges de plantes, par exemple pailles de blé , de riz , d'orge, de bambou et de paille .

Fibres animales

Les fibres animales comprennent généralement des protéines telles que le collagène , la kératine et la fibroïne ; les exemples incluent la soie , le tendon , la laine , le catgut , l' angora , le mohair et l' alpaga .

  • Poils d'animaux (laine ou poils) : Fibre ou laine provenant d'animaux ou de mammifères à poils. par exemple laine de mouton, poil de chèvre ( cachemire , mohair ), poil d'alpaga, crin de cheval, etc.
  • Fibre de soie : Fibre sécrétée par les glandes (souvent situées près de la bouche) des insectes lors de la préparation des cocons .

Chitine

Structure chimique des chaînes de chitine

La chitine est le deuxième polymère naturel le plus abondant au monde, le collagène étant le premier. Il s'agit d'un « polysaccharide linéaire de l'β-(1-4)-2-acétamido-2-désoxy-D-glucose ». La chitine est très cristalline et est généralement composée de chaînes organisées en feuillet . En raison de sa cristallinité élevée et de sa structure chimique, il est insoluble dans de nombreux solvants. Il a également une faible toxicité dans l'organisme et est inerte dans les intestins. La chitine a également des propriétés antibactériennes.

La chitine forme des cristaux qui forment des fibrilles qui s'entourent de protéines. Ces fibrilles peuvent se regrouper pour former des fibres plus grosses qui contribuent à la structure hiérarchique de nombreux matériaux biologiques. Ces fibrilles peuvent former des réseaux orientés aléatoirement qui assurent la résistance mécanique de la couche organique dans différents matériaux biologiques.

La chitine fournit une protection et un soutien structurel à de nombreux organismes vivants. Il constitue les parois cellulaires des champignons et des levures, les coquilles des mollusques, les exosquelettes des insectes et des arthropodes . Dans les coquilles et les exosquelettes, les fibres de chitine contribuent à leur structure hiérarchique.

Dans la nature, la chitine pure (100% d' acétylation ) n'existe pas. Il existe plutôt sous forme de copolymère avec le dérivé désacétylé de la chitine, le chitosane. Lorsque la composition acétylée du copolymère est acétylée à plus de 50 %, il s'agit de chitine. Ce copolymère de chitine et de chitosane est un copolymère statistique ou séquencé.

Chitosan

Structure chimique de la chaîne du chitosane

Le chitosane est un dérivé désacétylé de la chitine. Lorsque la composition acétylée du copolymère est inférieure à 50 %, il s'agit de chitosane. Le chitosane est un "polymère d'β-(1-4)-2-amino-2-désoxy-D-glucose" semi-cristallin. Une différence entre la chitine et le chitosane est que le chitosane est soluble dans les solutions aqueuses acides. Le chitosan est plus facile à traiter que la chitine, mais il est moins stable car il est plus hydrophile et a une sensibilité au pH. En raison de sa facilité de traitement, le chitosane est utilisé dans des applications biomédicales.

Collagène

Le collagène est une protéine structurelle, souvent appelée « l'acier des matériaux biologiques ». Il existe plusieurs types de collagène : Type I (comprenant la peau, les tendons et les ligaments, le système vasculaire et les organes, ainsi que les dents et les parois osseuses et artérielles) ; Type II (un composant du cartilage); Type III (souvent trouvé dans les fibres réticulaires ); et d'autres. Le collagène a une structure hiérarchique, formant des triples hélices, des fibrilles et des fibres. Le collagène est une famille de protéines qui soutiennent et renforcent de nombreux tissus du corps.

Kératine

Schéma montrant la création de la structure hélicoïdale des kératines alpha.

La kératine est une protéine structurelle située sur les surfaces dures de nombreux vertébrés. La kératine a deux formes, la -kératine et la -kératine , que l'on trouve dans différentes classes de cordés. La convention de dénomination de ces kératines suit celle des structures protéiques : la kératine alpha est hélicoïdale et la kératine bêta est en forme de feuille. L'alpha-kératine se trouve dans les cheveux, la peau, les ongles, la corne et les piquants des mammifères , tandis que la bêta-kératine se trouve chez les espèces aviaires et reptiliennes dans les écailles, les plumes et le bec. Les deux structures différentes de la kératine ont des propriétés mécaniques différentes, comme le montrent leurs applications différentes. L'alignement relatif des fibrilles de kératine a un impact significatif sur les propriétés mécaniques. Dans les cheveux humains, les filaments d'alpha kératine sont fortement alignés, ce qui donne une résistance à la traction d'environ 200 MPa. Cette résistance à la traction est d'un ordre de grandeur supérieure à celle des ongles humains (20MPa), car les filaments de kératine des cheveux humains sont plus alignés.

Propriétés

Par rapport aux fibres synthétiques, les fibres naturelles ont tendance à avoir une rigidité et une résistance réduites.

Propriétés mécaniques de traction des fibres naturelles
Matériel Fibre Module élastique (GPa) Force (MPa)
Tendon Collagène 1,50 150
OS Collagène 20,0 160
Exosquelette de crabe de boue (humide) Chitine 0,48 30
Exosquelette de crevettes (humide) Chitine 0,55 28
Sabot bovin Kératine 0,40 16
Laine Kératine 0,50 200

Les propriétés diminuent également avec l'âge de la fibre. Les fibres plus jeunes ont tendance à être plus résistantes et plus élastiques que les plus anciennes. De nombreuses fibres naturelles présentent une sensibilité à la vitesse de déformation en raison de leur nature viscoélastique. L'os contient du collagène et présente une sensibilité à la vitesse de déformation en ce sens que la rigidité augmente avec la vitesse de déformation, également connue sous le nom d' écrouissage . La soie d'araignée a des régions dures et élastiques qui contribuent ensemble à sa sensibilité à la vitesse de déformation, celles-ci provoquent également un durcissement par déformation de la soie. Les propriétés des fibres naturelles dépendent également de la teneur en humidité de la fibre.

Dépendance à l'humidité

La présence d'eau joue un rôle crucial dans le comportement mécanique des fibres naturelles. Hydratés, les biopolymères ont généralement une ductilité et une ténacité améliorées. L'eau joue le rôle de plastifiant , une petite molécule facilitant le passage des chaînes polymères et augmentant ainsi la ductilité et la ténacité. Lors de l'utilisation de fibres naturelles dans des applications en dehors de leur utilisation native, le niveau d'hydratation d'origine doit être pris en compte. Par exemple, lorsqu'il est hydraté, le module de Young du collagène diminue de 3,26 à 0,6 GPa et devient à la fois plus ductile et plus résistant. De plus, la densité du collagène diminue de 1,34 à 1,18 g/cm^3.

Applications

Savoir - faire du 19e siècle tissage lin , chanvre , jute , chanvre de Manille , sisal et fibres végétales

Utilisation industrielle

De valeur industrielle sont quatre fibres animales : laine, soie, poils de chameau et angora ainsi que quatre fibres végétales : coton, lin, chanvre et jute. Le coton pour les textiles domine en termes d'échelle de production et d'utilisation.

Composites de fibres naturelles

Les fibres naturelles sont également utilisées dans les matériaux composites, tout comme les fibres synthétiques ou de verre. Ces composites, appelés biocomposites, sont une fibre naturelle dans une matrice de polymères synthétiques. L'un des premiers plastiques renforcés de biofibres utilisé était une fibre de cellulose dans les composés phénoliques en 1908. L'utilisation comprend des applications où l'absorption d'énergie est importante, telles que l'isolation, les panneaux absorbant le bruit ou les zones pliables dans les automobiles.

Les fibres naturelles peuvent présenter différents avantages par rapport aux fibres synthétiques de renforcement. Ils sont notamment biodégradables et renouvelables. De plus, ils ont souvent de faibles densités et des coûts de traitement inférieurs à ceux des matériaux synthétiques. Les problèmes de conception avec les composites renforcés de fibres naturelles comprennent une faible résistance (les fibres naturelles ne sont pas aussi résistantes que les fibres de verre) et la difficulté de lier réellement les fibres et la matrice. Les matrices polymères hydrophobes offrent une adhérence insuffisante pour les fibres hydrophiles.

Nanocomposites

Les nanocomposites sont souhaitables pour leurs propriétés mécaniques. Lorsque les charges dans un composite sont à l' échelle nanométrique , le rapport surface/volume du matériau de charge est élevé, ce qui influence davantage les propriétés en vrac du composite par rapport aux composites traditionnels. Les propriétés de ces éléments nanométriques sont nettement différentes de celles de leur constituant en vrac.

En ce qui concerne les fibres naturelles, certains des meilleurs exemples de nanocomposites apparaissent en biologie. L'os , la coquille d'ormeau , la nacre et l'émail des dents sont tous des nanocomposites. En 2010, la plupart des nanocomposites polymères synthétiques présentent une ténacité et des propriétés mécaniques inférieures à celles des nanocomposites biologiques. Des nanocomposites entièrement synthétiques existent, mais des biopolymères de taille nanométrique sont également testés dans des matrices synthétiques. Plusieurs types de fibres nanométriques à base de protéines sont utilisés dans les nanocomposites. Ceux-ci incluent le collagène, la cellulose, la chitine et le tunicier. Ces protéines structurelles doivent être traitées avant d'être utilisées dans des composites.

Pour utiliser la cellulose comme exemple, les microfibrilles semi - cristallines sont cisaillées dans la région amorphe, ce qui donne la cellulose microcristalline (MCC). Ces petites fibrilles de cellulose cristalline sont à ce stade reclassées en trichites et peuvent avoir un diamètre de 2 à 20 nm avec des formes allant de sphérique à cylindrique. Des moustaches de collagène, de chitine et de cellulose ont toutes été utilisées pour fabriquer des nanocomposites biologiques. La matrice de ces composites est généralement constituée de polymères synthétiques hydrophobes tels que le polyéthylène, le polychlorure de vinyle et les copolymères de polystyrène et de polyacrylate.

Traditionnellement, dans la science des composites, une interface solide entre la matrice et la charge est requise pour obtenir des propriétés mécaniques favorables. Si ce n'est pas le cas, les phases ont tendance à se séparer le long de l'interface faible et conduisent à de très mauvaises propriétés mécaniques. Dans un composite MCC, cependant, ce n'est pas le cas, si l'interaction entre la charge et la matrice est plus forte que l'interaction charge-charge, la résistance mécanique du composite est sensiblement diminuée.

Les difficultés des nanocomposites à fibres naturelles proviennent de la dispersion et de la tendance des petites fibres à s'agréger dans la matrice. En raison du rapport surface/volume élevé, les fibres ont tendance à s'agréger, plus que dans les composites à micro-échelle. De plus, le traitement secondaire des sources de collagène pour obtenir des microfibrilles de collagène de pureté suffisante ajoute un certain coût et un défi à la création d'une cellulose porteuse ou d'un autre nanocomposite à base de charge.

Biomatériau et biocompatibilité

Les fibres naturelles sont souvent prometteuses en tant que biomatériaux dans les applications médicales. La chitine est particulièrement remarquable et a été incorporée dans une variété d'utilisations. Des matériaux à base de chitine ont également été utilisés pour éliminer les polluants industriels de l'eau, transformés en fibres et en films, et utilisés comme biocapteurs dans l'industrie alimentaire. La chitine a également été utilisée dans plusieurs applications médicales. Il a été incorporé comme matériau de comblement osseux pour la régénération tissulaire, comme support et excipient de médicament et comme agent antitumoral. L'insertion de matières étrangères dans le corps déclenche souvent une réponse immunitaire, qui peut avoir une variété de résultats positifs ou négatifs selon la réponse du corps à la matière. Implanter quelque chose fabriqué à partir de protéines synthétisées naturellement, comme un implant à base de kératine, a le potentiel d'être reconnu comme un tissu naturel par le corps. Cela peut conduire soit à une intégration dans de rares cas où la structure de l'implant favorise la repousse des tissus avec l'implant formant une superstructure soit à une dégradation de l'implant dans laquelle les squelettes des protéines sont reconnus pour le clivage par le corps.

Voir également

Les références

23. Kuivaniemi, Helena et Gérard Tromp. "Collagène de type III (COL3A1) : structure des gènes et des protéines, distribution tissulaire et maladies associées." Gène vol. 707 (2019) : 151-171. doi:10.1016/j.gene.2019.05.003

Liens externes