Prodn rostlinn vlkna Rostlinn buka Stavba bunn stny
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/cm 3.
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 (C 6 H 10 O 5)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 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 – 11, 0 10, 0 – 14, 2 10, 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/cm 3] 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 % O 2 (C 6 H 10 O 5)n Poměrná molekulová hmotnost je 162. 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 m. N/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/cm 3
Bavlna – vlastnosti bavlněných vláken • Bavlněná vlákna při teplotě 120 o. C zvolna žloutnou, při 150 o. C hnědnou, při 400 o. C 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 1 m 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 m. N/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/cm 3 • Obsah vlhkosti za normálních klimatických podmínek – 15 %
Len – vlastnosti lněných vláken • Do teploty 120 o. C 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 m. N/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/cm 3 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% Na. OH. • 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.
- Slides: 62