Fibras

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Varios

1. Definición y clasificación. La f. es la unidad fundamental empleada en la fabricación de hilos. Se caracteriza porque su longitud es al menos 100 veces su diámetro o anchura, y las unidades celulares de sus cristales tienen una orientación preferente respecto a un eje específico. Entre los requisitos esenciales para que las f. puedan hilarse se encuentran: longitud no inferior a 5 mm., flexibilidad, cohesión y una tenacidad suficiente. Otras propiedades, más o menos deseables, son la elasticidad, uniformidad y duración.

La clasificación más frecuente de las f. es la que se basa en su origen: las que proceden directamente de la naturaleza, o naturales, en las que se incluyen las f. minerales, vegetales y animales y aquellas otras que, partiendo de bases vegetales o minerales, son transformadas en procesos industriales hasta la obtención de la f. definitiva y reciben el nombre de artificiales. Estas últimas comprenden las obtenidas de polímeros naturales y las sintéticas que tienen como punto de partida unidades monoméricas que mediante procesos de polimerización (v.) y pol¡condensación forman las macromoléculas hilables.

2. Constitución. a) Fibras naturales. 1) Fibras minerales. El amianto o asbesto es el único mineral que puede calificarse como textil. En general está constituido por silicato de magnesio. Se presenta en forma de piedra de estructura fibrosa, fácilmente disgregable en filamentos cortos, flexibles y no muy resistentes; es incombustible, no le atacan los ácidos y es mal conductor del calor y de la electricidad. Debido a estas propiedades, se emplea como revestimiento aislante, así como para prendas de vestir incombustibles. La mayoría de los metales pueden formar hilos, si bien su fabricación difiere mucho de los textiles en general. Su resistencia es muy elevada, son poco flexibles y de baja elasticidad.

2) Fibras vegetales. Se obtienen de las semillas, troncos y hojas de las plantas. Están formadas por celulosa (v.), más cantidades variables de sustancias pépticas, grasas, ceras, gomas, lignina, cenizas y agua. La estructura molecular de la celulosa consiste en una larga cadena de moléculas de glucosa. El número de unidades celobiósicas, motivo que se repite en la molécula o grado de polimerización, varía con los tipos de procedencia, estando en la mayoría de ellos comprendido entre las 1.500 y 3.000 unidades.

Las propiedades físicas de las f. celulósicas y otras macromoleculares dependen en gran parte del grado de polimerización, el grado de cristalinidad y la orientación. Generalmente un elevado grado de polimerización y una gran orientación son responsables de una alta tenacidad. Una elevada cristalinidad hace que las f. se hinchen menos y que sustancias tales como colorantes penetren en ellas con menor facilidad. El porcentaje de celulosa y grado de polimerización de algunas f. vegetales son: algodón 90%, 1.440; ramio 91%, 2.660; lino 77%, 2.200; cáñamo 77%, 2.200; sisal 77%, 2.160; yute 63%, 1.920.

3) Fibras de origen animal. Este grupo incluye la lana (pelo de carnero, Ovis aries), el pelo animal y la seda. Son f. proteínicas cuya unidad estructural es un aminoácido. La cadena proteínica está formada por la condensación de muchos aminoácidos a través de uniones peptídicas. Las f. proteínicas están formadas por estas cadenas de residuos aminoácidos conocidos como cadenas polipépticas.

La lana y los pelos de animales están compuestos de un grupo específico de proteínas llamadas queratinas, que se caracterizan por un alto contenido en el aminoácido llamado cistina.

El entrecruzamiento debido a los grupos bisulfuros de la cistina es el responsable de muchas cualidades de la lana y de otras f. de queratina, tales como la tenacidad, resistencia y elasticidad de la f. en estado húmedo.

La seda difiere de las f. de queratina: no contiene cistina, y está constituida principalmente por aminoácidos de bajo peso molecular tales como glicina, alanina y serina. Las cadenas polipépticas de la seda no presentan entrecruzamiento. Los segmentos de las cadenas polipépticas se prestan a un empaquetamiento tal que es posible la formación de puentes de hidrógeno. Los estudios de rayos X y birrefringencia han demostrado el alto grado de orientación y cristalinidad de las f. de seda. Esta estructura justifica sus propiedades físicas. La gran tenacidad, tanto en húmedo como en seco, es debida a las cadenas dilatadas, al grado de orientación y cristalinidad y a los fuertes enlaces que pueden formarse entre los grupos vecinos -CO-NH-. La elasticidad y dilatabilidad dependen de la movilidad de las cadenas y de las regiones amorfas. Debido a que las cadenas están más o menos estiradas tanto una como otra son relativamente pequeñas en magnitud.

b) Fibras artificiales. 1) Rayón y acetato. Las f. artificiales de importancia comercial que se obtienen partiendo de celulosa (v.), son la viscosa, el cuproamonio y el acetato. Las dos primeras conocidas bajo el nombre genérico de rayón, son celulosa regenerada; el acetato es, ’como su nombre indica, acetato de celulosa, producido por acttiación de la celulosa con anhídrido acético y subsiguiente hidrólisis del triacetato, pasándolo a diacetado. Las materias primas para la obtención de celulosa en la fibración de f. son la pulpa de madera y las hilazas de algodón. La fabricación se remonta al año 1889, en que Chardonet obtuvo la llamada seda artificial por el método de la nitrocelulosa.

2) Fibras de proteínas regeneradas. Nacen en un esfuerzo por obtener las f. con una composición química análoga a las de origen animal; son producto de la búsqueda de la seda natural. Se obtienen principalmente de la caseína, aceites de cacahuete, soja y maíz.

c) Fibras sintéticas. Los fundamentos científicos para la obtención de f. sintéticas radican en el concepto de macromolécula creado en el año 1920 por Hermann Staundinger, al describir el hidrocarburo (v.) de elevado peso molecular obtenido por hidrogenación del caucho natural. Staundinger demostró que las propiedades de las soluciones de sustancias poliméricas eran debidas a la existencia de macromoléculas formadas por cadenas de átomos unidos por enlaces covalentes, que poseen el tamaño de partículas coloidales, y no a la presencia de micelás en su sentido clásico.

1) Fibras sintéticas de polímeros de adición. El polietileno,

(-CH2-CH2-)n

es el punto de partida de las f. vinílicas. Sus aplicaciones textiles son muy limitadas debido al bajo punto de fusión y a la tendencia de sus filamentos, estirados en frío, a retraerse a temperaturas superiores a los 70° C. Se obtiene en la polimerización del etileno llevada a cabo a temperaturas superiores a los 300° C y a presiones entre 100 y 200 atm. Para la obtención de monofilamentos, la polimerización se realiza a una presión de 1.000 atm.

En la polimerización del etileno, como en la de todos los monómeros no saturados, se distinguen tres procesos fundamentales: iniciación, propagación y terminación. La iniciación consiste en la activación del monómero por agentes químicos o físicos y se traduce en la apertura del doble enlace con la formación de un radical. La propagación es la adición sucesiva y rápida de las moléculas del monómero a los centros activos, que se conservan en cada adición. La terminación consiste en la desactivación de las especies activas, formando, el polímero inactivo o muerto.

Polipropileno.Su fórmula general es

(-CH2-CH-)n

CH3

La ordenación en el espacio de los sustituyentes de las cadenas vinílicas conduce a tres tipos estructurales. Supongamos la unidad estructural

-CH2-CH-

R

Los átomos de carbono de la cadena forman un zig-zag, que puede proyectarse sobre un plano. Cuando los sustituyentes R se encuentran todos en un mismo lado del plano, se tiene una estructura isotáctica. Si los sustituyentes R se disponen de modo alternado, en ambos lados del plano, se obtiene una estructura sindiotáctica. Cuando los grupos R se distribuyen al azar, entre ambos lados del plano, se trata de un polímero atáctico: Los polímeros isotácticos, al disponer todas sus unidades igualmente orientadas en el espacio, no poseen ya isomería (v.) dextro o levo típica de los atácticos. Este hecho tiene mucha importancia para formar estructuras cristalinas. Los polímeros isotácticos se obtienen por polimerización estereoespecífica de los monómeros, utilizando catalizadores especiales, capaces de orientar estéricamente el crecimiento de la cadena. Así, mediante el uso de los catalizadores de Karl Ziegler, Giulio Natta consiguió el polipropileno isotáctico, con los sustituyentes al mismo lado de la cadena. Montecatini en Italia a finales de 1956, y luego I.C.I. en Inglaterra, Hércules Powder Co. en Estados Unidos, El Paular en España, con licencias de Montecatini, son hoy fabricantes de polipropileno isotáctico, cuyas principales ventajas son su bajo coste, bajo peso específico, gran resistencia química y alta tenacidad. Sus inconvenientes: inestabilidad y dificultad de teñido.

Poliacrilonitrilo. Las f. acrílicas salieron por primera vez al mercado en 1950 en los EE. UU. La mayoría de ellas están constituidas por copolímeros que incluyen uno o más monómeros además del acrilonitrilo,

CH2=CH-CN.

Los comonómeros más comúnmente utilizados son los ésteres del ácido acrílico y metacrílico así como el acetato de vinilo.

El primer paso en la fabricación de las f. acrílicas es la polimerización del acrilonitrilo en combinación con otros monómeros. La polimerización se lleva a cabo en suspensión. Los monómeros disueltos son dispersados por agitación en una solución acuosa del catalizador polimerizando a temperatura adecuada (30 a 70°) hasta formar el polímero insoluble en el medio acuoso. En la polimerización se presentan las etapas de iniciación, propagación y terminación que se citaban para los polímeros vinílicos. El polímero disuelto en un disolvente se hila por uno de los procedimientos clásicos: en húmedo o en seco. En la hilatura en húmedo la solución de polímero se extruye a través de hileras con numerosos orificios sumergidos en un baño de coagulación. La hilatura en seco se lleva a cabo empleando disolventes orgánicos, principalmente dimetilformamida. La solución de polímero se extruye a través de una hilera en el interior de una cámara calentada en la que el disolvente se elimina por evaporación obteniéndose filamentos individuales solidificados. La f. recién hilada, después de lavar, se somete a un estirado en caliente.

Entre sus propiedades merecen resaltarse su resistencia a productos químicos y a agentes atmosféricos. Su tacto es particularmente agradable y es un excelente aislante térmico.

2) Fibras sintéticas de polímeros de condensación. Un segundo tipo de polímeros de gran importancia en la formación de f. sintéticas es el de los polímeros de condensación, formados por reacciones de condensación entre moléculas independientes, con eliminación de moléculas más sencillas. Al contrario de lo que sucede con los polímeros de adición, las unidades estructurales de los policondensados difieren del monómero o monómeros de partida. La acción de los radicales libres hace muy rápida la polimerización de adición, mientras que la condensación es una reacción lenta, que alcanza un equilibrio y puede hacerse reversible fácilmente.

Es muy importante el peso molecular alcanzado: debe ser grande y en los polímeros destinados a la obtención de f., es indispensable un límite inferior del peso molecu lar para que el producto sea hilable. La razón es la necesidad de que las cadenas tengan una longitud suficiente para alcanzar, unas con otras, las regiones ordenadas o cristalinas del polímero, favoreciendo de este modo la continuidad y la tenacidad de la f.

Las principales f. de condensación son las poliamídicas, poliésteres y poliuretanos.

Poliamidas (v. Ntt,óN). Se fabrican a partir de ácidos aminocarboxílicos o de ácidos dicarboxílicos y diaminas.

Poliésteres. Los primeros trabajos de Carothers para la producción de macromoléculas hilables fueron sobre condensación de ácidos alifáticos bifuncionales con dialcoholes. Los polímeros así obtenidos recibieron el nombre de poliésteres. Debido a su bajo punto de fusión y escasa resistencia al ataque hidrolítico, los poliésteres alifáticos no llegaron a alcanzar importancia técnica como f. sintéticas. Fueron los químicos ingleses Whinfield y Diekson en 1941-, en los laboratorios de Calico Printer’s Association, quienes descubrieron los poliésteres de alto punto de fusión, partiendo de ácidos dicarboxílicos aromáticos. El tereftalato de polietileno es el único poliéster hilable de importancia comercial.

Las materias primas para la obtención del poliéster son el dimetil tereftalo (DMT) y el glicol etilénico. La primera fase de la fabricación es la fusión del DMT junto con el glicol en exceso. La masa fundida pasa a un reactor donde se produce una transesterificación entre el dimetiltereftalato y el etilen glicol. El metanol se extrae por destilación a medida que se va formando. Cuando se ha producido toda la transesterificación se pasa el líquido a un autoclave para que tenga lugar la policondensación. Ésta se lleva a cabo elevando la temperatura a unos 280° C y bajo un vacío menor de 1 mm. Hg. Tanto los procesos de hilatura como de estirado no difieren básicamente de los de las f. poliamídicas. Si bien, el estirado debe hacerse siempre en caliente.

Las propiedades de las f. de poliéster dependen del peso molecular del polímero, condiciones de hilatura, grado de estirado y condiciones del mismo, que son los determinantes de la orientación molecular y grado de cristalinidad de la f.; absorben muy poco el agua; la resistencia a la luz solar es intermedia entre la del nilón y la de las f. acrílicas; la degradación térmica es menor que en cualquier otra f. de constitución orgánica.

Poliuretanos. Fueron desarrollados en 1939 en Alemania por Bayer y la 1. G. Farben, dando lugar al perlón U, empleado en la fabricación de cerdas y monofilamentos, y a otros materiales como el desmodur-desmophene, aplicable en revestimientos, plásticos, etc.

Los polímeros lineales son polímeros de condensación cristalinos e hilables, caracterizados por contener el grupo

H O

N - C - O -

Comparando el grupo amida con el uretano se observa que éste contiene un átomo de oxígeno adicional que confiere a la cadena polimérica una mayor flexibilidad, y, por tanto, una temperatura de fusión también más baja que el de poliamidas análogas.

El perlón U es un polímero parecido al nilón 66 y 6 en algunos aspectos, pero con un coeficiente de absorción de humedad más bajo, mayor densidad y un punto de fusión inferior. Su bajo punto de reblandecimiento lo hace menos útil en el terreno de las f. que el nilón 66 ó 6.

Citaremos, finalmente, las f. elásticas sintéticas conocidas con la denominación de Spandex, que engloban a todas las f. compuestas en un 85% al menos de poliuretano "segmentado"; presentan un elevado alargamiento a la rotura, así como una total y rápida recuperación.

3. Producción. La producción mundial de f. industriales alcanzó un máximo de 23.800 miles de t. durante el periodo 1965-66, pero en el periodo siguiente, por un retroceso en la producción de algodón, disminuyó en un 2%, volviendo a subir en el periodo 1967-68. La f. más producida, en peso, es el algodón, que representa aproximadamente el 45% del total. Junto con las otras principales f. naturales como la lana, seda, lino, cáñamo y yute, supone las tres cuartas partes de la producción mundial; el 25% restante está cubierto por las f. artificiales que en 1961 suponían sólo el 17% del total. Durante los años 1965 y 1966 el aumento de producción de f. artificiales ha sido de un 8% anual, alcanzando 5.838 miles de t. en 1966. El rayón continúa siendo la f. de máxima producción dentro de las artificiales, pero debido al gran incremento en la de f. sintéticas ha pasado de representar en el año 1961 las tres cuartas partes de la producción de f. artificiales a menos de las tres quintas partes en 1966. La producción de f. sintéticas en el año 1966 fue de 2.500 miles de t., dos veces mayor que en 1961. Los programas de ampliación de los fabricantes de f. sintéticas en el mundo son enormes. Se estima una capacidad de producción de hilados de este tipo de 4.500 miles de t. a finales de 1968, llegando a superar en una décima parte la producción de rayón.

El 46,5% de la producción mundial de f. sintéticas es de nilón; el 26,5% corresponde a las de poliéster; el 18,5% a las acrílicas y el 9,5% al resto.

V. t.: CELULOSA; POLIMERIZACIÓN; PROTEÍNAS.

A. VILLAR ARREGUI.

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