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 microfibrilssuspension 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.

typvlákna

celulóza[% hmotn.]

lignin[% hmotn.]

hemicelulóza[% hmotn.]

pektiny[% hmotn.]

Vosky[% hmotn.]

úhel stoupánímikrofibril

[ °]

obsah vlhkosti[% hmotn.]

ze stonků

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 - - - -

z listů

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

henequen 77,6 13,1 4,0 – 8,0 - - - -

ze semen

bavlna 82,7 - 5,7 - 0,6 - -

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 chemického složení jednotlivých přírodních rostlinných vláken

typ vlákna hustota[g/cm3]

průměrvlákna[μm]

mezpevnosti v tahu

[MPa]

Youngův modulpružnosti

[GPa]

protaženípři 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

Porovnání vybraných vlastností přírodních rostlinných vláken a vláken běžně používaných v kompozitních

systémech

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.