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.

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 hemicelulóza pektiny Vosky úhel stoupání mikrofibril [ °] obsah vlhkosti 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 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 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 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

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 690 1,6 ramie 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 kokos 1,15 100 – 450 131 – 175 4,0 – 6,0 15,0 – 40,0 E-sklo 2,5 2000 – 3500 70,0 S-sklo 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.