天然繊維

天然繊維または天然繊維（綴りの違いを参照）は、地質学的プロセスによって、または植物や動物の体から生成される繊維です。^[1]複合材料の構成要素として使用することができ、繊維の配向が特性に影響します。^{[2]天然繊維は、}紙やフェルトを作るためにシート状にマットにすることもできます。^{[3] [4]}

人類が繊維を使用した最も古い証拠は、ジョージア共和国の先史時代の洞窟で発見された羊毛と染色された亜麻の繊維であり、36,000年前まで遡ります。^{[5] [6]天然繊維は、自動車や医療用品の}複合部品などのハイテク用途に使用できます。ガラス繊維で強化された複合材と比較して、天然繊維を使用した複合材は、密度が低く、断熱性が高く、皮膚への刺激が少ないなどの利点があります。さらに、ガラス繊維とは異なり、天然繊維は使用されなくなった後は細菌によって分解されます。

天然繊維は吸水性に優れ、さまざまな質感のものがあります。たとえば、綿花から作られた綿繊維は、軽量で質感が柔らかく、さまざまなサイズや色の生地を作ることができます。高温多湿の気候に住む人々は、合成繊維の衣類よりも綿などの天然繊維で作られた衣類を好むことが多いです。 ^[要出典]

動物繊維は一般にコラーゲン、ケラチン、フィブロインなどのタンパク質で構成されており、例としては絹、腱、羊毛、腸糸、アンゴラ、モヘア、アルパカなどがあります。

• 動物の毛（羊毛または毛）：動物または毛のある哺乳類から採取した繊維または羊毛。例：羊毛、山羊毛（カシミア、モヘア）、アルパカ毛、馬毛など。
• 絹繊維:繭を作る際に昆虫の腺（口の近くにあることが多い）から分泌される繊維。

キチンは世界で2番目に豊富な天然ポリマーであり、1番目はコラーゲンです。キチンは「β-(1-4)-2-アセトアミド-2-デオキシ-D-グルコースの線状多糖類」です。^[10]キチンは結晶性が高く、通常はβシートに組織化された鎖で構成されています。結晶性が高く化学構造が優れているため、多くの溶媒に不溶性です。また、体内での毒性が低く、腸内で不活性です。キチンには抗菌作用もあります。^[11]

キチンは結晶を形成し、タンパク質に囲まれた原繊維を形成します。これらの原繊維は束になってより大きな繊維を形成し、多くの生物学的材料の階層構造に貢献します。^[12]これらの原繊維はランダムに配向したネットワークを形成し、さまざまな生物学的材料の有機層の機械的強度を提供します。^[13]

キチンは多くの生物に保護と構造的サポートを提供します。キチンは真菌や酵母の細胞壁、軟体動物の殻、昆虫や節足動物の外骨格を構成します。殻や外骨格では、キチン繊維が階層構造に貢献しています。^[10]

自然界では、純粋なキチン（100%アセチル化）は存在しません。代わりに、キチンの脱アセチル化誘導体であるキトサンとの共重合体として存在します。共重合体のアセチル化組成が50%を超えると、それはキチンになります。^[12]このキチンとキトサンの共重合体は、ランダムまたはブロック共重合体です。^[10]

キトサンはキチンの脱アセチル化誘導体である。共重合体のアセチル化組成が 50% 未満の場合はキトサンである。^[12]キトサンは半結晶性の「β-(1-4)-2-アミノ-2-デオキシ-D-グルコースのポリマー」である。^[10] キチンとキトサンの違いの 1 つは、キトサンが酸性水溶液に溶けることである。キトサンはキチンよりも加工しやすいが、親水性が高く pH に敏感であるため安定性が低い。加工しやすいため、キトサンはバイオメディカル用途に使用されている。^[11]

コラーゲンは構造タンパク質であり、しばしば「生体材料の鋼」と呼ばれます。^[14]コラーゲンには複数の種類があります。タイプI（皮膚、腱、靭帯、血管、臓器、歯、骨、動脈壁を含む）、タイプII（軟骨の成分）、タイプIII（網状繊維によく見られます）、その他。コラーゲンは階層構造を持ち、三重らせん、原繊維、繊維を形成します。コラーゲンは、体内の多くの組織を支え、強化するタンパク質ファミリーです。

ケラチンは、多くの脊椎動物の硬い表面に存在する構造タンパク質です。ケラチンには、異なるクラスの脊索動物に見られるα-ケラチンとβ-ケラチンの2 つの形態があります。これらのケラチンの命名規則は、タンパク質構造の命名規則に従っています。アルファケラチンはらせん状で、ベータケラチンはシート状です。アルファケラチンは、哺乳類の毛髪、皮膚、爪、角、羽毛に見られ、ベータケラチンは、鳥類や爬虫類の鱗、羽毛、くちばしに見られます。ケラチンの 2 つの異なる構造は、用途が異なることからわかるように、機械的特性が異なります。ケラチン原繊維の相対的な配列は、機械的特性に大きな影響を与えます。人間の毛髪では、アルファケラチンのフィラメントが高度に配列されており、引張強度は約 200 MPa です。この引張強度は人間の爪（20MPa）よりも一桁高いが、これは人間の髪の毛のケラチンフィラメントがより整列しているためである。^[10]

天然繊維は合成繊維に比べて剛性と強度が低下する傾向があります。^[10]

繊維の古くなるにつれて特性も低下します。若い繊維は古い繊維よりも強く、弾力性がある傾向があります。^[10]多くの天然繊維は、粘弾性のため、ひずみ速度感受性を示します。^[15]骨にはコラーゲンが含まれており、ひずみ速度とともに剛性が増加するという点でひずみ速度感受性を示します。これはひずみ硬化としても知られています。クモの糸には硬い部分と弾性のある部分があり、これらが一緒になってひずみ速度感受性に寄与し、これにより糸はひずみ硬化も示します。^[12]天然繊維の特性は、繊維内の水分含有量にも依存します。^[10]

水の存在は、天然繊維の機械的挙動に重要な役割を果たします。植物は成長するために水に依存しています。湿度が高すぎると、植物はカビやバクテリアを発生させます。湿度が高いと、植物の周りの害虫の数も増えます。水和したバイオポリマーは、一般的に延性と靭性が向上します。水は可塑剤の役割を果たします。可塑剤は、ポリマー鎖の通過を容易にし、延性と靭性を高める小さな分子です。天然繊維を本来の用途以外の用途に使用する場合は、元の水和レベルを考慮する必要があります。たとえば、水和すると、コラーゲンのヤング率は 3.26 GPa から 0.6 GPa に低下し、延性と靭性の両方が向上します。さらに、コラーゲンの密度は 1.34 g/cm 3 から 1.18 g/cm ³に低下します。^[10]

工業的価値のあるものは、羊毛、絹、ラクダの毛、アンゴラの4種類の動物繊維と、綿、亜麻、麻、黄麻の4種類の植物繊維である。生産規模と用途の点で支配的なのは、織物用の綿である。^[16]

天然繊維は、合成繊維やガラス繊維と同様に、複合材料にも使用されています。バイオ複合材料と呼ばれるこれらの複合材料は、合成ポリマーのマトリックスに含まれる天然繊維です。^[1]最初に使用されたバイオ繊維強化プラスチックの1つは、1908年にフェノール樹脂にセルロース繊維を加えたものでした。 ^[1]断熱材、騒音吸収パネル、自動車の折りたたみ部分など、エネルギー吸収が重要な用途に使用されています。^[17]

天然繊維は合成繊維に比べてさまざまな利点があります。最も顕著な利点は、生分解性と再生可能性です。さらに、合成材料よりも密度が低く、処理コストが低いことがよくあります。^{[17] [18]}天然繊維強化複合材料の設計上の問題には、強度が低い（天然繊維はガラス繊維ほど強くない）ことと、繊維とマトリックスを実際に接着することが難しいことが挙げられます。疎水性ポリマーマトリックスは、親水性繊維に対して十分な接着性を提供しません。^[17]

ナノ複合材料は、その機械的特性が望ましいです。複合材料の充填材がナノメートルの長さスケールにある場合、充填材の表面積と体積の比率が高くなり、従来の複合材料と比較して、複合材料のバルク特性にさらに影響します。これらのナノサイズの要素の特性は、バルク構成成分の特性とは著しく異なります。

天然繊維に関して言えば、ナノ複合材料の最も優れた例のいくつかは生物学に見られます。骨、アワビの殻、真珠層、歯のエナメル質はすべてナノ複合材料です。2010年現在、ほとんどの合成ポリマーナノ複合材料は、生物学的ナノ複合材料と比較して靭性と機械的特性が劣っています。^[19]完全に合成されたナノ複合材料も存在しますが、ナノサイズのバイオポリマーも合成マトリックスでテストされています。数種類のタンパク質ベースのナノサイズ繊維がナノ複合材料に使用されています。これらには、コラーゲン、セルロース、キチン、チュニカンが含まれます。^[20]これらの構造タンパク質は、複合材料に使用する前に処理する必要があります。

セルロースを例に挙げると、半結晶性のミクロフィブリルが非晶質領域で剪断され、微結晶性セルロース（MCC）となる。これらの小さな結晶性セルロースフィブリルはこの時点でウィスカーとして再分類され、直径2～20nm、形状は球形から円筒形までさまざまである。コラーゲン、キチン、セルロースのウィスカーはすべて、生物学的ナノ複合材料の製造に使用されている。これらの複合材料のマトリックスは、通常、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレンとポリアクリレートの共重合体などの疎水性合成ポリマーである。^{[20] [19]}

複合材料科学では伝統的に、マトリックスとフィラーの間に強力な界面が求められ、良好な機械的特性を実現しています。これが当てはまらない場合、相は弱い界面に沿って分離する傾向があり、非常に劣悪な機械的特性をもたらします。しかし、MCC複合材料ではそうではありません。フィラーとマトリックスの相互作用がフィラー間の相互作用よりも強い場合、複合材料の機械的強度は著しく低下します。^[20]

天然繊維ナノ複合材料の難しさは、分散性と小さな繊維がマトリックス内で凝集する傾向から生じます。表面積と体積の比率が高いため、繊維は凝集する傾向があり、マイクロスケールの複合材料よりもその傾向が強くなります。さらに、十分な純度のコラーゲンマイクロフィブリルを得るためにコラーゲン源を二次処理すると、耐荷重性セルロースやその他の充填剤ベースのナノ複合材料を作成するのに、ある程度のコストと課題が加わります。^[20]

天然繊維は、医療用途の生体材料として有望視されることが多い。特にキチンは注目に値し、さまざまな用途に取り入れられている。キチンベースの材料は、水から産業汚染物質を除去するためにも使用され、繊維やフィルムに加工され、食品産業ではバイオセンサーとして使用されている。 ^[21]キチンは、いくつかの医療用途にも使用されている。組織再生のための骨充填材、薬物キャリアおよび賦形剤、抗腫瘍剤として取り入れられている。^[22]異物を体内に挿入すると、免疫反応が引き起こされることが多く、その物質に対する体の反応に応じて、さまざまな肯定的または否定的な結果が生じる可能性がある。ケラチンベースのインプラントなど、自然に合成されたタンパク質から作られたものを移植すると、体に天然組織として認識される可能性がある。これは、インプラントの構造が組織の再成長を促進し、インプラントが上部構造を形成するというまれなケースでは統合につながるか、またはタンパク質のバックボーンが体に認識されて切断されるインプラントの劣化につながる可能性がある。^{[21] [22]}

• コイヤー
• ファイバ
• 2009年国際天然繊維年
• クモの糸
• 熱帯アフリカの植物資源

23. クイヴァニエミ、ヘレナ、ジェラルド・トロンプ。「III 型コラーゲン (COL3A1): 遺伝子とタンパク質の構造、組織分布、および関連疾患」Gene vol. 707 (2019): 151-171. doi:10.1016/j.gene.2019.05.003

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