เส้นใยธรรมชาติหรือเส้นใยธรรมชาติ (ดูความแตกต่างของการสะกด ) คือเส้นใยที่เกิดขึ้นจากกระบวนการทางธรณีวิทยาหรือจากร่างกายของพืชหรือสัตว์^{[ 1 ]}สามารถใช้เป็นส่วนประกอบของ วัสดุ คอมโพสิตได้ โดยที่ทิศทางการเรียงตัวของเส้นใยจะมีผลต่อคุณสมบัติ^{[ 2 ]}นอกจากนี้ เส้นใยธรรมชาติยังสามารถนำมาอัดเป็นแผ่นเพื่อทำกระดาษหรือสักหลาดได้^{[ 3 ] [ 4 ]}

หลักฐานที่เก่าแก่ที่สุดของการใช้เส้นใยของมนุษย์คือการค้นพบเส้นใยขนสัตว์และ เส้นใย ป่านย้อม สี ในถ้ำยุคก่อนประวัติศาสตร์ในสาธารณรัฐจอร์เจียซึ่งมีอายุย้อนไปถึง 36,000 ปีก่อนคริสตกาล^{[ 5 ] [ 6 ]}เส้นใยธรรมชาติสามารถนำไปใช้ในงานไฮเทค เช่น ชิ้นส่วน คอมโพสิตสำหรับรถยนต์และอุปกรณ์ทางการแพทย์ เมื่อเปรียบเทียบกับคอมโพสิตที่เสริมแรงด้วยเส้นใยแก้วคอมโพสิตที่มีเส้นใยธรรมชาติมีข้อดี เช่น ความหนาแน่นต่ำกว่าฉนวนกันความร้อน ที่ดีกว่า และลดการระคายเคืองผิวหนัง นอกจากนี้ ต่างจากเส้นใยแก้ว เส้นใยธรรมชาติสามารถย่อยสลายได้ด้วยแบคทีเรียเมื่อไม่ใช้งานแล้ว เส้นใยธรรมชาติโดยทั่วไปสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้และย่อยสลายได้ทางชีวภาพ และมีแนวโน้มที่จะย่อยสลายได้เร็วกว่าเส้นใยสังเคราะห์แม้ว่าอัตราการย่อยสลายและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจะแตกต่างกันไปตามชนิดของเส้นใย^{[ 7 ]}

เส้นใยธรรมชาติสามารถดูดซับน้ำได้ดีและมีเนื้อสัมผัสหลากหลาย เช่น เส้นใยฝ้ายที่ได้จาก ต้น ฝ้าย นั้น ให้ผ้าที่มีน้ำหนักเบา เนื้อนุ่ม และสามารถผลิตได้หลายขนาดและหลายสี ผู้คนในสภาพอากาศร้อนชื้น มักนิยมสวมใส่เสื้อผ้าที่ทำจากเส้นใยธรรมชาติ เช่น ฝ้าย มากกว่าเสื้อผ้าที่ทำจากเส้นใยสังเคราะห์

หมวดหมู่	ประเภท	ภาพ
ใยเมล็ดพืช	เส้นใยที่เก็บได้จากเมล็ดของพืชชนิดต่างๆ เรียกว่า เส้นใยจากเมล็ด ตัวอย่างที่สำคัญที่สุดคือ ฝ้าย	ฝ้ายที่กำลังเจริญเติบโตบนต้น
เส้นใยใบไม้	เส้นใยที่เก็บรวบรวมจากเซลล์ของใบเรียกว่าเส้นใยใบ เช่น กล้วย[ 8 ]สับปะรด (PALF) [ 9 ]เป็นต้น	การตากเส้นใยใบกล้วย อะบาคา
เส้นใยจากเปลือกไม้	เส้นใยเปลือกไม้จะถูกเก็บรวบรวมจากชั้นเซลล์ ด้านนอกของลำต้นของพืช เส้นใยเหล่านี้ใช้สำหรับทำเส้นด้ายที่ทนทาน ผ้า บรรจุภัณฑ์ และกระดาษ ตัวอย่างเช่นป่านปอเคนัฟป่านอุตสาหกรรมรามีหวายและเส้นใยจากเถาวัลย์[ 10 ]	ทุ่งปอ
ใยผลไม้	เส้นใยที่เก็บเกี่ยวจากผลของพืช เช่น เส้นใยมะพร้าว ( ใยมะพร้าว )	ใยมะพร้าว (ใยมะพร้าว)
เส้นใยลำต้น	เส้นใยจากลำต้นของพืช เช่น ฟางข้าวสาลีข้าวข้าวบาร์เลย์ไม้ไผ่และฟาง[ 8 ]	ป่าไผ่

เส้นใยจากสัตว์โดยทั่วไปประกอบด้วยโปรตีนเช่นคอลลาเจนเคราตินและไฟโบรอินตัวอย่างเช่นไหมเอ็นขนแกะและเส้น เอ็น จากลำไส้แมว

• ขนสัตว์ (ขนแกะหรือเส้นผม): เส้นใยหรือขนที่ได้จากสัตว์หรือสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่มีขน เช่น ขนแกะ ขนแพะ ( แคชเมียร์โมแฮร์ ) ขนอัลปากาขนม้า เป็นต้น
• เส้นใย ไหม : เส้นใยที่หลั่งออกมาจากต่อม (มักอยู่ใกล้ปาก) ของแมลงในระหว่างการสร้างรังไหม

ไคตินเป็น พอลิเมอร์ธรรมชาติที่มีมากเป็นอันดับสองของโลกรองจากคอลลาเจน ไคตินเป็น "พอลิแซ็กคาไรด์เชิงเส้นของ β-(1-4)-2-อะเซตามิโด-2-ดีออกซี-D-กลูโคส" ^{[ 11 ]}ไคตินมีโครงสร้างผลึกสูงและมักประกอบด้วยโซ่ที่จัดเรียงเป็นแผ่น β เนื่องจากมีโครงสร้างผลึกสูงและโครงสร้างทางเคมี จึงไม่ละลายในตัวทำละลายหลายชนิด นอกจากนี้ยังมีพิษต่ำในร่างกายและไม่ทำปฏิกิริยาในลำไส้ ไคตินยังมีคุณสมบัติต้านแบคทีเรียอีกด้วย^{[ 12 ]}

ไคตินก่อตัวเป็นผลึกที่สร้างเส้นใยซึ่งถูกล้อมรอบด้วยโปรตีน เส้นใยเหล่านี้สามารถรวมตัวกันเป็นเส้นใยขนาดใหญ่ขึ้นซึ่งมีส่วนช่วยในโครงสร้างลำดับชั้นของวัสดุชีวภาพหลายชนิด^{[ 13 ]}เส้นใยเหล่านี้สามารถสร้างเครือข่ายที่มีทิศทางแบบสุ่มซึ่งให้ความแข็งแรงเชิงกลของชั้นอินทรีย์ในวัสดุชีวภาพต่างๆ^{[ 14 ]}

ไคตินให้การปกป้องและโครงสร้างแก่สิ่งมีชีวิตหลายชนิด มันเป็นส่วนประกอบของผนังเซลล์ของเชื้อราและยีสต์ เปลือกของหอยโครงกระดูกภายนอกของแมลงและสัตว์ขาปล้อง ในเปลือกและโครงกระดูกภายนอก เส้นใยไคตินมีส่วนช่วยในโครงสร้างแบบลำดับชั้น^{[ 11 ]}

ในธรรมชาติ ไคตินบริสุทธิ์ ( อะเซทิเลชัน 100% ) ไม่มีอยู่จริง แต่ไคตินจะมีอยู่เป็นโคพอลิเมอร์กับอนุพันธ์ของไคตินที่ถูกดีอะเซทิเลชัน คือ ไคโตซาน เมื่อองค์ประกอบของโคพอลิเมอร์ที่ถูกอะเซทิเลชันมีมากกว่า 50% ก็จะเรียกว่าไคติน^{[ 13 ]}โคพอลิเมอร์ของไคตินและไคโตซานนี้เป็นโคพอลิเมอร์แบบสุ่มหรือแบบบล็อก^{[ 11 ]}

ไคโตซานเป็นอนุพันธ์ดีอะซิทิเลตของไคติน เมื่อองค์ประกอบของอะซิทิเลตในโคพอลิเมอร์ต่ำกว่า 50% ก็จะเป็นไคโตซาน^{[ 13 ]}ไคโตซานเป็น "พอลิเมอร์ของ β-(1-4)-2-อะมิโน-2-ดีออกซี-D-กลูโคส" กึ่งผลึก^{[ 11 ]} ข้อแตกต่างประการหนึ่งระหว่างไคตินและไคโตซานคือ ไคโตซานสามารถละลายได้ในสารละลายกรด ไคโตซานแปรรูปได้ง่ายกว่าไคติน แต่มีความเสถียรน้อยกว่าเพราะชอบน้ำมากกว่าและไวต่อค่า pH เนื่องจากแปรรูปได้ง่าย ไคโตซานจึงถูกนำไปใช้ในงานด้านชีวการแพทย์^{[ 12 ]}

คอลลาเจนเป็นโปรตีนโครงสร้าง มักถูกเรียกว่า "เหล็กของวัสดุชีวภาพ" ^{[ 15 ]}คอลลาเจนมีหลายประเภท ได้แก่ประเภทที่ 1 (ประกอบด้วยผิวหนัง เส้นเอ็นและเอ็นยึดกระดูก หลอดเลือดและอวัยวะ รวมถึงฟัน กระดูก และผนังหลอดเลือดแดง) ประเภทที่ 2 (เป็นส่วนประกอบในกระดูกอ่อน) ประเภทที่ 3 (มักพบในเส้นใยร่างแห ) และอื่นๆ คอลลาเจนมีโครงสร้างแบบลำดับชั้น โดยก่อตัวเป็นเกลียวสามชั้นเส้นใยและเส้นใย คอลลาเจนเป็นกลุ่มโปรตีนที่ช่วยพยุงและเสริมสร้างความแข็งแรงให้กับเนื้อเยื่อต่างๆ ในร่างกาย

เคราตินเป็นโปรตีนโครงสร้างที่พบอยู่บนพื้นผิวแข็งในสัตว์มีกระดูกสันหลังหลายชนิด เคราตินมีสองรูปแบบ คืออัลฟา-เคราตินและเบตา-เคราตินซึ่งพบในสัตว์มีกระดูกสันหลังต่างชั้นกัน การตั้งชื่อเคราตินเหล่านี้เป็นไปตามหลักการตั้งชื่อโครงสร้างโปรตีนคืออัล ฟา-เคราตินมีโครงสร้าง เป็นเกลียวและเบตา -เคราตินมีโครงสร้างเป็นแผ่น อัลฟา-เคราตินพบใน เส้นผม ผิวหนัง เล็บ เขา และขน ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ในขณะที่เบตา-เคราตินพบได้ในนกและ สัตว์ เลื้อยคลานในเกล็ดขนและจะงอยปาก โครงสร้างเคราตินทั้งสองแบบมีคุณสมบัติทางกลที่แตกต่างกัน ดังที่เห็นได้จากการใช้งานที่แตกต่างกัน การเรียงตัวของเส้นใยเคราตินมีผลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกล ในเส้นผมของมนุษย์ เส้นใยของอัลฟา-เคราตินเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ ทำให้มีความแข็งแรงต่อแรงดึงประมาณ 200 เมกะปาสคาล ความแข็งแรงในการรับแรงดึงนี้สูงกว่าเล็บมนุษย์ถึงหนึ่งลำดับ (20 MPa) เนื่องจากเส้นใยเคราตินของเส้นผมมนุษย์เรียงตัวเป็นระเบียบมากกว่า^{[ 11 ]}

เส้นใยธรรมชาติมักมีความแข็งตัวและความแข็งแรงน้อยกว่าเส้นใยสังเคราะห์^{[ 11 ]}

คุณสมบัติของเส้นใยจะลดลงตามอายุด้วย เส้นใยที่อายุน้อยกว่ามักจะแข็งแรงและยืดหยุ่นกว่าเส้นใยที่อายุมากกว่า^{[ 11 ]}เส้นใยธรรมชาติหลายชนิดแสดงความไวต่ออัตราความเครียดเนื่องจากคุณสมบัติความยืดหยุ่นหนืด^{[ 16 ]}กระดูกประกอบด้วยคอลลาเจนและแสดงความไวต่ออัตราความเครียดในแง่ที่ว่าความแข็งจะเพิ่มขึ้นตามอัตราความเครียด หรือที่เรียกว่าการแข็งตัวของความเครียดใยแมงมุมมีบริเวณที่แข็งและยืดหยุ่นซึ่งรวมกันทำให้เกิดความไวต่ออัตราความเครียด และทำให้ใยแมงมุมแสดงการแข็งตัวของความเครียดเช่นกัน^{[ 13 ]}คุณสมบัติของเส้นใยธรรมชาติยังขึ้นอยู่กับปริมาณความชื้นในเส้นใยด้วย^{[ 11 ]}

การมีอยู่ของน้ำมีบทบาทสำคัญในพฤติกรรมเชิงกลของเส้นใยธรรมชาติ พืชต้องการน้ำเพื่อช่วยในการเจริญเติบโต หากความชื้นสูงเกินไป จะทำให้พืชเกิดเชื้อราและแบคทีเรีย ความชื้นยังจะเพิ่มจำนวนศัตรูพืชรอบๆ พืชอีกด้วย โดยทั่วไปแล้ว ไบโอโพลีเมอร์ที่ได้รับน้ำจะมีความยืดหยุ่นและความเหนียวเพิ่มขึ้น น้ำทำหน้าที่เป็นพลาสติไซเซอร์ซึ่งเป็นโมเลกุลขนาดเล็กที่ช่วยให้สายโซ่โพลีเมอร์ผ่านได้ง่ายขึ้น และด้วยเหตุนี้จึงเพิ่มความยืดหยุ่นและความเหนียว เมื่อใช้เส้นใยธรรมชาติในการใช้งานนอกเหนือจากการใช้งานดั้งเดิม ระดับความชุ่มชื้นดั้งเดิมจะต้องนำมาพิจารณาด้วย ตัวอย่างเช่น เมื่อได้รับน้ำ ค่า Young's Modulus ของคอลลาเจนจะลดลงจาก 3.26 เป็น 0.6 GPa และจะมีความยืดหยุ่นและเหนียวมากขึ้น นอกจากนี้ ความหนาแน่นของคอลลาเจนจะลดลงจาก 1.34 เป็น 1.18 g / ^{cm³ [ 11 ]}

เส้นใยจากสัตว์ที่มีมูลค่าทางอุตสาหกรรมมี 4 ชนิด ได้แก่ ขนแกะ ไหม ขนอูฐ และแองโกร่า รวมถึงเส้นใยจากพืชอีก 4 ชนิด ได้แก่ ฝ้าย ป่าน ปอ และป่านปอแก้ว โดยฝ้ายเป็นเส้นใยหลักในการผลิตและใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมสิ่งทอ^{[ 17 ]}

เส้นใยธรรมชาติยังใช้ในวัสดุคอมโพสิตเช่นเดียวกับเส้นใยสังเคราะห์หรือเส้นใยแก้ว คอมโพสิตเหล่านี้เรียกว่าไบโอคอมโพสิต ซึ่งเป็นเส้นใยธรรมชาติในเมทริกซ์ของพอลิเมอร์สังเคราะห์^{[ 1 ]}หนึ่งในพลาสติกเสริมแรงด้วยเส้นใยชีวภาพชนิดแรกที่ใช้คือเส้นใยเซลลูโลสในฟีนอลในปี 1908 ^{[ 1 ]}การใช้งานรวมถึงการใช้งานที่การดูดซับพลังงานมีความสำคัญ เช่น ฉนวนกันความร้อน แผงดูดซับเสียง หรือพื้นที่พับได้ในรถยนต์^{[ 18 ]}

เส้นใยธรรมชาติมีข้อดีหลายประการเมื่อเทียบกับเส้นใยเสริมแรงสังเคราะห์ ที่สำคัญที่สุดคือสามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพและสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ นอกจากนี้ มักมีความหนาแน่นต่ำและต้นทุนการผลิตต่ำกว่าวัสดุสังเคราะห์^{[ 18 ] [ 19 ]}ปัญหาด้านการออกแบบของวัสดุคอมโพสิตเสริมแรงด้วยเส้นใยธรรมชาติ ได้แก่ ความแข็งแรงต่ำ (เส้นใยธรรมชาติไม่แข็งแรงเท่าเส้นใยแก้ว) และความยากลำบากในการยึดติดเส้นใยกับเมทริกซ์ เมทริกซ์พอลิเมอร์ที่ไม่ชอบน้ำมีการยึดเกาะไม่เพียงพอสำหรับเส้นใยที่ชอบน้ำ^{[ 18 ]}

วัสดุนาโนคอมโพสิตเป็นที่ต้องการเนื่องจากคุณสมบัติทางกลที่ดี เมื่อสารตัวเติมในคอมโพสิตมี ขนาดระดับ นาโนเมตรอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรของวัสดุตัวเติมจะสูง ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติโดยรวมของคอมโพสิตมากกว่าเมื่อเทียบกับคอมโพสิตแบบดั้งเดิม คุณสมบัติขององค์ประกอบขนาดนาโนเหล่านี้แตกต่างอย่างเห็นได้ชัดจากคุณสมบัติของส่วนประกอบหลัก

ในส่วนของเส้นใยธรรมชาติ ตัวอย่างที่ดีที่สุดของนาโนคอมโพสิตบางส่วนพบได้ในทางชีววิทยากระดูกเปลือกหอยเป๋าฮื้อมุกและเคลือบฟันล้วนเป็นนาโนคอมโพสิตทั้งสิ้น ณ ปี 2010 นาโนคอมโพสิตพอลิเมอร์สังเคราะห์ส่วนใหญ่แสดงให้เห็นถึงความเหนียวและคุณสมบัติทางกลที่ด้อยกว่าเมื่อเทียบกับนาโนคอมโพสิตทางชีวภาพ[ ^{20 ] แม้ว่า}จะมีนาโนคอมโพสิตสังเคราะห์อย่างสมบูรณ์อยู่ แต่ก็มีการทดสอบไบโอพอลิเมอร์ขนาดนาโนในเมทริกซ์สังเคราะห์ด้วยเช่นกัน เส้นใยขนาดนาโนที่ทำจากโปรตีนหลายชนิดถูกนำมาใช้ในนาโนคอมโพสิต ซึ่งรวมถึงคอลลาเจน เซลลูโลส ไคติน และทูนิแคน^{[ 21 ]}โปรตีนโครงสร้างเหล่านี้ต้องผ่านกระบวนการก่อนนำไปใช้ในคอมโพสิต

ยกตัวอย่างเช่น เซลลูโลส ไมโครไฟบริล กึ่งผลึกจะถูกเฉือนในบริเวณอสัณฐาน ส่งผลให้เกิดเซลลูโลสไมโครผลึก (MCC) เส้นใยเซลลูโลสผลึกขนาดเล็กเหล่านี้ ณ จุดนี้จะถูกจัดประเภทใหม่เป็นวิสเกอร์ และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 ถึง 20 นาโนเมตร โดยมีรูปร่างตั้งแต่ทรงกลมถึงทรงกระบอก วิสเกอร์ของคอลลาเจน ไคติน และเซลลูโลส ล้วนถูกนำมาใช้ในการสร้างนาโนคอมโพสิตทางชีวภาพ เมทริกซ์ของคอมโพสิตเหล่านี้มักเป็นพอลิเมอร์สังเคราะห์ที่ไม่ชอบน้ำ เช่น โพลีเอทิลีน โพลีไวนิลคลอไรด์ และโคพอลิเมอร์ของโพลีสไตรีนและโพลีอะคริเลต^{[ 21 ] [ 20 ]}

โดยทั่วไปในวิทยาศาสตร์คอมโพสิต จำเป็นต้องมีอินเตอร์เฟซที่แข็งแรงระหว่างเมทริกซ์และฟิลเลอร์เพื่อให้ได้คุณสมบัติทางกลที่ดี หากไม่เป็นเช่นนั้น เฟสต่างๆ มักจะแยกออกจากกันตามอินเตอร์เฟซที่อ่อนแอและทำให้คุณสมบัติทางกลแย่ลงมาก อย่างไรก็ตาม ในคอมโพสิต MCC นั้นไม่เป็นเช่นนั้น หากปฏิสัมพันธ์ระหว่างฟิลเลอร์และเมทริกซ์แข็งแรงกว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างฟิลเลอร์ด้วยกันเอง ความแข็งแรงทางกลของคอมโพสิตจะลดลงอย่างเห็นได้ชัด^{[ 21 ]}

ความยากลำบากในนาโนคอมโพสิตเส้นใยธรรมชาติเกิดจากการกระจายตัวและแนวโน้มที่เส้นใยขนาดเล็กจะรวมตัวกันในเมทริกซ์ เนื่องจากอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูง เส้นใยจึงมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันมากกว่าในคอมโพสิตขนาดไมโคร นอกจากนี้ การแปรรูปแหล่งคอลลาเจนขั้นที่สองเพื่อให้ได้ไมโครไฟบริลคอลลาเจนที่มีความบริสุทธิ์เพียงพอจะเพิ่มต้นทุนและความท้าทายในการสร้างนาโนคอมโพสิตเซลลูโลสหรือฟิลเลอร์ชนิดอื่นที่สามารถรับน้ำหนักได้^{[ 21 ]}

เส้นใยธรรมชาติมักแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการเป็นวัสดุชีวภาพในการใช้งานทางการแพทย์ ไคตินมีความโดดเด่นเป็นพิเศษและถูกนำไปใช้ในหลากหลายด้าน วัสดุที่ทำจากไคตินยังถูกนำมาใช้ในการกำจัดมลพิษทางอุตสาหกรรมจากน้ำ แปรรูปเป็นเส้นใยและฟิล์ม และใช้เป็นไบโอเซนเซอร์ในอุตสาหกรรมอาหาร^{[ 22 ]}ไคตินยังถูกนำไปใช้ในทางการแพทย์หลายด้าน เช่น ใช้เป็นวัสดุอุดกระดูกเพื่อการสร้างเนื้อเยื่อใหม่ เป็นตัวนำส่งยาและสารช่วยใน การผลิตยา และเป็นสารต้านมะเร็ง^{[ 23 ]}การใส่วัสดุแปลกปลอมเข้าไปในร่างกายมักกระตุ้นให้เกิดการตอบสนองทางภูมิคุ้มกัน ซึ่งอาจมีผลลัพธ์ทั้งเชิงบวกและเชิงลบ ขึ้นอยู่กับการตอบสนองของร่างกายต่อวัสดุนั้น การฝังวัสดุที่ทำจากโปรตีนที่สังเคราะห์ขึ้นตามธรรมชาติ เช่น วัสดุปลูกถ่ายที่ทำจากเคราติน มีศักยภาพที่จะได้รับการยอมรับว่าเป็นเนื้อเยื่อธรรมชาติโดยร่างกาย สิ่งนี้อาจนำไปสู่การรวมตัวในกรณีที่หายากซึ่งโครงสร้างของวัสดุปลูกถ่ายส่งเสริมการงอกใหม่ของเนื้อเยื่อโดยที่วัสดุปลูกถ่ายก่อตัวเป็นโครงสร้างส่วนบน หรือการย่อยสลายของวัสดุปลูกถ่ายซึ่งโครงสร้างหลักของโปรตีนจะถูกร่างกายจดจำเพื่อการแตกตัว^{[ 22 ] [ 23 ]}

• ใยมะพร้าว
• ไฟเบอร์
• ปีสากลแห่งเส้นใยธรรมชาติ 2552
• ใยแมงมุม
• ทรัพยากรพืชของแอฟริกาเขตร้อน

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับเส้นใยธรรมชาติ