Encyclopedia
Please note this is a comparison between Version 2 by Camila Xu and Version 1 by Natalia Fuentes Molina.
Las fibras naturales son filamentos flexibles extraídos de fuentes renovables, con propiedades complejas debido a las amplias variaciones en la composición química y estructural de celulosa, lignina, hemicelulosa, ácidos grasos, pectinas y otras estructuras unidas por enlaces de hidrógeno intermoleculares y fuerzas de Van der Waals. formando microfibrillas con disposición paralela.
- natural fibers
- biocomposites
- polymer
1. Fibras naturales como alternativa sostenible para reforzar los polímeros residuales1. Natural Fibers as a Sustainable Alternative to Reinforce Residual Polymers
Las fibras naturales son filamentos flexibles extraídos de fuentes renovables, con propiedades complejas debido a las amplias variaciones en la composición química y estructural de celulosa, lignina, hemicelulosa, ácidos grasos, pectinas y otras estructuras unidas por enlaces de hidrógeno intermoleculares y fuerzas de Van der Waals. formando microfibrillas con disposición paralela. Se utilizan en diferentes campos de la ingeniería como elementos de refuerzo que proporcionan resistencia a la tensión y flexión, rigidez y módulo de elasticidad [ 13 , 32 , 33] formando un material de bioingeniería notable que es de interés por sus múltiples usos y aplicaciones en una amplia gama de productos con un valor agradable; se diferencian de los materiales iniciales, lo que se relaciona con la naturaleza de las fibras, cristalinidad e insolubilidad; sin embargo, la elaboración de estos materiales compuestos en el proceso de fusión puede presentar inconvenientes como la viscosidad, que puede llegar a ser muy elevada, especialmente cuando el contenido de fibra es superior al 50% en peso; Mazzanti y col. [ 34 ] declararon en su investigación que si el capilar es demasiado estrecho, la presión puede volverse demasiado alta y el uso de lubricantes promueve el deslizamiento de la pared, lo que puede alterar las mediciones de viscosidad si los investigadores no tienen en cuenta el deslizamiento de la pared de manera adecuada [ 35] , 36].Natural fibers are flexible filaments extracted from renewable sources, with complex properties due to the wide variations in the chemical and structural composition of cellulose, lignin, hemicellulose, fatty acids, pectins, and other structures linked by intermolecular hydrogen bonds and forces of Van der Waals forming microfibrils with parallel arrangement. They are used in different fields of engineering as reinforcing elements that provides resistance to tension and bending, rigidity, and modulus of elasticity [13,32,33] forming a remarkable bioengineering material that is of interest for their multiple uses and applications across a wide range of products with pleasing value; they differ from the initial materials, which is related to the nature of the fibers, crystallinity, and insolubility; however, the elaboration of these composite materials in the melt process can present drawbacks such as the viscosity, which can become very high, especially when the fiber content is greater than 50% by weight; Mazzanti et al. [34] stated in their research that if the capillary is too narrow, the pressure can become too high and the use of lubricants promotes the sliding of the wall, which can alter the viscosity measurements if researchers do not account for wall slip appropriately [35,36].
En las fibras naturales, los compuestos en su conjunto se mantienen unidos por la función colectiva de celulosa, hemicelulosas, lignina y pectina como matriz; en promedio, las fibras se componen principalmente de celulosa (60 a 80%), lignina (5 a 20%) y alrededor del 20% de humedad [ 9 ]; estos porcentajes pueden variar según el tipo y origen de las fibras [ 32 ]. A continuación, se analiza la composición química de las fibras naturales en la Tabla 2 utilizando datos de diferentes investigaciones ya que su comprensión nos permite predecir e inferir su desempeño térmico y mecánico [ 33 ], sumado a los problemas económicos y ambientales que se pueden resolver con esta alternativa. cuando están vinculados a nuevos compuestos de base biológica.In natural fibers, the compounds as a whole are held together by the collective function of cellulose, hemicelluloses, lignin, and pectin as matrix; on average, fibers are mainly composed of cellulose (60 to 80%), lignin (5 to 20%), and around 20% moisture [9]; these percentages can vary according to the type and origin of the fibers [32]. Next, the chemical composition of natural fibers are analyzed in Table 1 using data from different investigations since their understanding allows us to predict and infer their thermal and mechanical performance [33], coupled with the economic and environmental problems that can be solved with this alternative when they are linked to new bio-based compounds.
Tabla 2. Composición química de algunas fibras naturales.Table 1.
Chemical composition of some natural fibers.
| Fibras naturales | Natural Fibers | Nombre científico | Scientific Name | Celulosa (%) | Cellulose (%) | Endurance Traction (Mpa) | Hemicelulosa (%) | Hemicellulose (%) | Lignina (%) | Lignin (%) | Extractivo (%) | Extractive (%) | Cenizas (%) | Ashes (%) | Autor, año | Author, Year |
|---|
| Módulo de tensión (Gpa) | Tension Module (Gpa) | Alargamiento a la rotura (%) | Elongation at Break (%) | Autor, año | Author, Year | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Caña de azúcar | Sugar cane | Saccharum officinarum | 46,6–45,1 | 46.6–45.1 | 25,5-25,0 | 25.5–25.0 | 20,7–14,1 | 20.7–14.1 | 29,4-2,7 | 29.4–2.7 | 8.0-2.6 | 8.0–2.6 |
| Madera | Wood | [ | 13 | , | 39 | ] | [13,39] | ||||||||||
| 0,50–1,4 | 0.50–1.4 | 130–64 | 70–7 | _ | [ 56 , 57 ] | [56,57] | Piña | Pineapple | Ananas comosus | 81,2–45,0 | |||||||
| Linaza | Flax | 81.2–45.0 | 50,0-12,3 | 50.0–12.3 | 1,5–1,4 | 1.5–1.4 | 30,0-3,4 | 650–250 | 70-27 | 70–2730.0–3.4 | _ | _ | 3.2–2.3 | [ 6 , 8 , 10 , 56 ] | [6,8,10,56] | [ 2 , 40 ] | [2,40] |
| Banana | Musa paradisiaca | 60,0-10,0 | 60.0–10.0 | 19,0-16,0 | 19.0–16.0 | 19,0–5,0 | 19.0–5.0 | 9,6-2,0 | 9.6–2.0 | 11,0-1,2 | 11.0–1.2 | [ 40 , 41 ] | [40,41] | ||||
| Cáñamo | |||||||||||||||||
| Cáñamo | Hemp | 1.6–1.4 | 690–630 | 70,0–45 | 70.0–45 | 3,0-1,6 | 3.0–1.6 | [ 43 , 58 , 59 ] | [43,58,59] | Hemp | Cannabis sativa | 72,0–68,0 | 72.0–68.0 | ||||
| Yute | Jute | 1,5–1,3 | 1.5–1.315.0–10.0 | 10.0–3.0 | _ | 5,8–2,3 | 773–325 | 55-26 | 55–26 | 2,5–1,5 | 2.5–1.55.8–2.3 | [ 8 , 56 , 60 ] | [8,56,60] | [ 11 , 42 ] | [11,42] | ||
| Coco | Coconut | Cocos nucifera | 53,0–43,0 | 53.0–43.0 | 14,7-1,0 | 14.7–1.0 | 45,0–38,4 | 45.0–38.4 | _ | _ | |||||||
| Coco | Coconut | 1,5–1,2 | 1.5–1.2 | 180-146 | 180–146 | 6–3 | 30,0-27,5 | 30.0–27.5 | [ 6 , 43 , 56 ] | [6,43,56] | [ 42 , 43 , 44 ] | [42,43,44] | |||||
| Yute | Jute | Corchorus capsularis | 72,0–60,0 | 72.0–60.0 | 22,1-13,0 | 22.1–13.0 | 15.9-13.0 | 15.9–13.0 | _ | 3,0-2,5 | 3.0–2.5 | [ 11 | |||||
| Algodón | Cotton | 1.6–1.5 | , | 310-191 | 310–191 | 42 | 12–5 | 8.0–7.0 | [ 8 , 56 , 59 ] | [8,56,59] | ] | [11,42] | |||||
| Aceite de palma | Oil palm | Elaeis guineensis | 45,0-28,2 | 45.0–28.2 | 18,8-12,7 | 18.8–12.7 | 49,5–9,4 | 49.5–9.4 | 7,13–2,0 | 7.13–2.0 | |||||||
| Sisal | 1.2–1.5 | 430–335 | 22–9 | 8.0-2.5 | 8.0–2.5 | [ 6 , 10 , | [ 45 , 46 ] | [45,46] | |||||||||
| 59 | ] | [ | 6 | , | 10,59] | Trigo | Wheat | Triticum | 43,2–60,5 | 43.2–60.5 | 34,1-20,8 | 34.1–20.8 | 22,0–9,0 | 22.0–9.0 | _ | 5,7–5,6 | 5.7–5.6 |
| Kenaf | 1,5–1,4 | 1.5–1.4 | 930–641 | 53–36 | 1,6–3,5 | 1.6–3.5 | [ | [ 55 , 61 , 62 ] | [55,61,62] | 14 , 42 ] | [14,42] | ||||||
| Kenaf | Cannabinus de hibiscoHibiscus cannabinus | 65,7–63,5 | 65.7–63.5 | 17,6-15,3 | 17.6–15.3 | 21,6-12,7 | 21.6–12.7 | 4.0–2.0 | |||||||||
| Bambú | Bamboo | 1.1–0.6 | 140–600 | 89–48 | _ | [ 8 , 61 , 63 ] | [8,61,63] | 2.2-1.0 | 2.2–1.0 | [ 13 , 47 ] | [13,47] | ||||||
| Linaza | Flax | Linum usitatissimum | 81,0–70,0 | 81.0–70.0 | 20,6-16,7 | 20.6–16.7 | 10.0–3.0 | _ | _ | [ 11 , 43 ] | [11,43] | ||||||
| Ramina | Ramie | Boehmeria nivea | 73,0–69,8 | 73.0–69.8 | 14.0–9.6 | 3,9–1,6 | 3.9–1.6 | _ | _ | [ | 44 | 44 | ,47 | , | ,48 | 47 , 48 ] | [] |
| Sisal | Agave sisalana | 75,0–65,0 | 75.0–65.0 | 13,9-10,0 | 13.9–10.0 | 10.0–7.6 | _ | 1.0–0.4 | [ 42 , 49 , 50 ] | [42,49,50] |
1.1. Celulosa1.1. Cellulose
La celulosa es el principal componente estructural de las fibras naturales. Es un biopolímero lineal compuesto exclusivamente por moléculas de β-glucosa unidas entre sí por enlaces 1,4 que imparten buena resistencia, rigidez, estabilidad estructural, porosidad y elasticidad a la fibra [ 9 ]. Este polisacárido está compuesto de microfibrillas cristalinas y amorfas alineadas helicoidalmente a lo largo de la fibra [ 11 ] y es resistente a la hidrólisis y agentes oxidantes, que pueden degradarse parcialmente en medios catalizados por ácidos fuertes [ 37 ].Cellulose is the major structural component of natural fibers. It is a linear biopolymer composed exclusively of β-glucose molecules linked together by 1,4 bonds that impart good resistance, rigidity, structural stability, porosity, and elasticity to the fiber [9]. This polysaccharide is composed of crystalline and amorphous microfibrils helically aligned along the fiber [11] and is resistant to hydrolysis and oxidizing agents, which can partially degrade in strong acid catalyzed media [37].
1.2. Hemicelulosa1.2. Hemicellulose
La hemicelulosa es una estructura de cadenas lineales ramificadas compuestas por los diversos polisacáridos más abundantes de menor peso molecular que forman una cadena ramificada, incluyendo β-glucosa, manosa, galactosa o xilosa, y los grupos acetilo que contienen grupos laterales, dando lugar a a su naturaleza no cristalina, con un grado medio de polimerización por enlace covalente de estos compuestos y por interacciones iónicas e hidrófilas; es responsable de la degradación térmica y biológica de la fibra por absorción de humedad [ 38 ], que puede ser fácilmente hidrolizada por ácidos y bases diluidos [ 11 ].Hemicellulose is a structure of straight branched chains composed of the various, most-abundant polysaccharides of lower molecular weight that form a branched chain, including β-glucose, mannose, galactose, or xylose, and the acetyl groups that contain side groups, giving rise to their noncrystalline nature, with a medium degree of polymerization through the covalent bonding of these compounds and by ionic and hydrophilic interactions; it is responsible for the thermal and biological degradation of the fiber through moisture absorption [38], which can be easily hydrolyzed by dilute acids and bases [11].
1.3. Lignina1.3. Lignin
La lignina es un componente clave en la estructura de la fibra debido a la complejidad de su estructura molecular. Es un polímero tridimensional amorfo y reticulado que actúa como un aglutinante natural de las fibras individuales, llenando los espacios entre la pectina, la hemicelulosa y la celulosa [ 13 , 51 ], compuesto por una matriz irregular de hidroxi y metoxi unidos. unidades de fenilpropano sustituido [ 9 ], que es responsable de la rigidez, produciendo una estructura resistente al impacto y la tensión [ 42 ]. Es hidrófobo, resiste la hidrólisis ácida, es soluble en álcali caliente, se oxida fácilmente y es responsable de la degradación por radiación a pesar de ser térmicamente estable.Lignin is a key component in the fiber structure due to the complexity of its molecular structure. It is an amorphous and cross-linked three-dimensional polymer that acts as a natural binder of the individual fibers—filling the spaces between the pectin, hemicellulose, and cellulose [13,51]—composed of an irregular matrix of linked hydroxy and methoxy substituted phenylpropane units [9], which is responsible for stiffness, producing a structure resistant to impact and stress [42]. It is hydrophobic, resists acid hydrolysis, is soluble in hot alkali, easily oxidizes, and is responsible for radiation degradation despite being thermally stable.
1.4. Pectina1.4. Pectin
La pectina es un complejo polisacárido aniónico que proporciona flexibilidad a las fibras ya que su estructura es muy ramificada [ 37 ]; es un heteropolisacárido ácido estructural que se compone de ácido glucurónico modificado y residuos de ramnosa. La integridad estructural de la planta se ve reforzada por las cadenas de pectina que a menudo se entrecruzan con los iones de calcio [ 9 ].Pectin is an anionic polysaccharide complex that provides flexibility to the fibers since its structure is highly branched [37]; it is a structural acid heteropolysaccharide that is composed of modified glucuronic acid and rhamnose residues. The structural integrity of the plant is enhanced by the pectin chains that often cross-link with calcium ions [9].
Finalmente, se encuentran los extractivos y las cenizas en menor proporción, con gran influencia en las propiedades y procesamiento de las fibras naturales, ya que actúan como protectores; inhibir el ataque de ácidos; y pertenecen a diferentes clases de compuestos químicos orgánicos e inorgánicos, respectivamente, que se extraen lavando las fibras con agua o disolventes orgánicos antes de su unión en el biocompuesto polimérico.Finally, there are extractives and ashes in a lower proportion, with great influence on the properties and processing of natural fibers, since they act as protectors; inhibit the attack of acids; and belong to different classes of organic and inorganic chemical compounds, respectively, which are extracted by washing the fibers with water or organic solvents prior to their binding in the polymeric biocomposite.
2. Propiedades de las fibras naturales y su amplio potencial como refuerzos en polímeros residuales2. Properties of Natural Fibers and Their Wide Potential as Reinforcements in Residual Polymers
Las fibras naturales tienen una serie de propiedades físicas y químicas dependiendo del contenido de celulosa, lignina, hemicelulosa y pectina, lo que las convierte en excelentes materiales junto con su renovabilidad y biodegradabilidad, siendo una práctica común eliminar la lignina y la pectina para mejorar el efecto reforzante. de fibras naturales en biocomposites [ 52 ].Natural fibers have a number of physical and chemical properties depending on the content of cellulose, lignin, hemicellulose, and pectin, which make then excellent materials along with their renewability and biodegradability, being a common practice to eliminate lignin and pectin to improve the reinforcing effect of natural fibers in biocomposites [52].
Las fibras naturales cuando se utilizan como refuerzos en biocomposites, además de representar beneficios ambientales, reducción del consumo de energía, propiedades de aislamiento y absorción acústica [ 53 , 54 ], también tienen propiedades mecánicas esenciales, como se evidencia en la Tabla 3 , con variaciones promedio que van desde 1.25 –1,5 g / cm 3 para densidad, 320–520 Mpa para resistencia a la tracción, 22–48 Gpa para módulo de tracción y 7–25% para elongación antes de la rotura; además, las investigaciones de Nurazzi et al. [ 10 ], Nagaraj y col. [ 55 ], y otros relacionados con la resistencia a la flexión, el módulo de elasticidad, el hinchamiento del espesor y la absorción de agua como propiedades importantes al evaluarlos como refuerzos poliméricos.Natural fibers when used as reinforcements in biocomposites, in addition to representing environmental benefits, reduction in energy consumption, insulation properties and acoustic absorption [53,54], also have essential mechanical properties, as evidenced in Table 2, with average variations ranging from 1.25–1.5 g/cm3 for density, 320–520 Mpa for tensile strength, 22–48 Gpa for tensile modulus, and 7–25% for elongation before break; additionally, the investigations of Nurazzi et al. [10], Nagaraj et al. [55], and others related flexural strength, modulus of elasticity, thickness swelling, and water absorption as important properties when evaluating them as polymeric reinforcements.
Tabla 3. Propiedades físicas y mecánicas de algunas fibras naturales.Table 2.
Physical and mechanical properties of some natural fibers.
| Fibras naturales | Natural Fibers | Densidad (g / cm 3 ) | Density (g/cm3) | Tracción de resistencia (Mpa) |
|---|
Las propiedades mecánicas de las fibras naturales son menores que las de las sintéticas; se pueden mejorar o igualar mediante técnicas de modificación de superficies [ 1 ] (como se presenta a continuación), además de la baja densidad, que es una de las propiedades que las hace más atractivas para diferentes propósitos y aplicaciones de ingeniería, como en construcción, aeronáutica y automóviles [ 64 , 65 ]. Por otro lado, cabe señalar que la resistencia de la fibra depende de la carga impuesta a la fibra, la relación en peso de la fibra, el proceso de cultivo, el proceso de fabricación o modificación y los métodos de fabricación de las matrices poliméricas reforzadas. [ 66 ].The mechanical properties in natural fibers are lower than in synthetic fibers; they can be improved or equalized by surface modification techniques [1] (as presented below), in addition to the low density, which is one of the properties that makes them more attractive for different purposes and engineering applications, such as in construction, aeronautics, and automobiles [64,65]. On the other hand, it should be noted that the resistance of the fiber depends on the load imposed on the fiber, the weight ratio of the fiber, the cultivation process, the manufacturing or modification process, and the manufacturing methods of the reinforced polymeric matrices [66].
