Acetato de celulosa

En bioquímica, acetato de celulosa se refiere a cualquier éster de acetato de celulosa, generalmente diacetato de celulosa. Se preparó por primera vez en 1865. El acetato de celulosa bioplástico se utiliza como base de película en fotografía, como componente en algunos revestimientos y como material de montura para anteojos; también se utiliza como fibra sintética en la fabricación de filtros de cigarrillos y naipes. En la película fotográfica, la película de acetato de celulosa reemplazó a la película de nitrato en la década de 1950, siendo mucho menos inflamable y más barata de producir.

Historia

En 1865, el químico francés Paul Schützenberger descubrió que la celulosa reacciona con anhídrido acético para formar acetato de celulosa. Los químicos alemanes Arthur Eichengrün y Theodore Becker inventaron las primeras formas solubles de acetato de celulosa en 1903.

En 1904, Camille Dreyfus y su hermano menor Henri llevaron a cabo investigaciones y desarrollos químicos sobre acetato de celulosa en un cobertizo en el jardín de su padre en Basilea, Suiza, que entonces era un centro de la industria de tintes. Durante cinco años, los hermanos Dreyfus estudiaron y experimentaron de manera sistemática en Suiza y Francia. Para 1910, estaban produciendo películas para la industria cinematográfica, y una cantidad pequeña pero en constante crecimiento de laca de acetato, llamada "droga", se vendió a la industria aeronáutica en expansión para recubrir la tela que cubre las alas y el fuselaje.

En 1913, después de unos veinte mil experimentos separados, produjeron excelentes muestras de laboratorio de hilo de filamento continuo, algo que había eludido a la industria del acetato de celulosa hasta ese momento. Desafortunadamente, el estallido de la Primera Guerra Mundial pospuso el desarrollo comercial de este proceso.

En noviembre de 1914, el gobierno británico invitó a la Dra. Camille Dreyfus a venir a Inglaterra para fabricar droga de acetato, y se creó la "British Cellulose and Chemical Manufacturing Co". En 1917, después de que Estados Unidos entrara en guerra, el Departamento de Guerra de EE. UU. invitó al Dr. Dreyfus a establecer una fábrica similar en EE. UU. Ambas operaciones se llevaron a cabo con éxito durante la guerra.

Después de la guerra, la atención volvió a la producción de fibras de acetato. El primer hilo era de buena calidad, pero la resistencia a las ventas era fuerte y los socios de la seda trabajaron con celo para desacreditar el acetato y desalentar su uso. Sin embargo, la naturaleza termoplástica del acetato lo convirtió en una excelente fibra para moiré porque el patrón era permanente y no se lavaba. La misma característica también hizo que el plisado permanente fuera un hecho comercial por primera vez y dio un gran impulso de estilo a toda la industria del vestido.

La mezcla de seda y acetato en los tejidos se realizó en un principio, y casi enseguida se mezcló también el algodón, posibilitando así tejidos de bajo coste mediante una fibra que entonces era más barata que la seda o el acetato. Hoy en día, el acetato se mezcla con seda, algodón, lana, nailon, etc. para dar a las telas una excelente recuperación de arrugas, buen peso, tacto, calidad de drapeado, secado rápido, estabilidad dimensional adecuada, potencial de patrón de teñido cruzado, a un precio muy competitivo.

Usos

Fibra

La fibra de acetato de celulosa, una de las primeras fibras sintéticas, se basa en algodón o celulosa de pulpa de árbol ("biopolímeros"). Estas "fibras celulósicas" han sido reemplazadas en muchas aplicaciones por fibras a base de petróleo más baratas (nylon y poliéster) en las últimas décadas.

Los nombres comerciales de acetato incluyen Acele, Avisco, Celanese, Chromspun y Estron.

El acetato comparte muchas similitudes con el rayón y antes se consideraba el mismo tejido. El acetato difiere del rayón en el empleo de ácido acético en la producción. Ahora se requiere que las dos telas se enumeren claramente en las etiquetas de las prendas.

El rayón resiste el calor mientras que el acetato tiende a derretirse. El acetato debe lavarse con cuidado, ya sea a mano o en seco.

La naturaleza transpirable del tejido lo hace adecuado para su uso como forro. La tela de acetato se usa con frecuencia en vestidos de novia y otros atuendos nupciales. Su brillo lustroso y su textura suave y satinada lo convierten en una buena alternativa a la seda.

Propiedades

El acetato es una fibra manufacturada muy valiosa que es de bajo costo y tiene buenas cualidades de drapeado. El acetato se usa en telas como satenes, brocados, telas de punto y tafetán para acentuar el brillo, el cuerpo, la caída y la belleza.

• Mano: suave, tersa, seca, crujiente, resistente
• Comodidad: respira, absorbe, seca rápidamente, no se adhiere a la estática
• Caída: los forros se mueven con los forros del cuerpo se ajustan a la prenda
• Color: tonos profundos y brillantes con teñido atmosférico que cumplen con los requisitos de solidez del color
• Brillo: el reflejo de la luz crea una apariencia distintiva
• Rendimiento: no destiñe a las manchas de transpiración, no destiñe a la limpieza en seco, permeable al aire y al vapor
• Tenacidad: fibra débil con tenacidad de rotura de 1,2 a 1,4 g/d; pierde fuerza rápidamente cuando está mojado
• Abrasión: poca resistencia
• Retención de calor: pobre retención térmica; sin potencial alergénico (hipoalergénico)
• Capacidad de teñido: (dos métodos) método de teñido cruzado donde los hilos de una fibra y los de otra fibra se tejen en una tela en un patrón deseado; El método de teñido en solución proporciona una excelente solidez del color bajo los efectos de la luz solar, la transpiración, los contaminantes del aire y el lavado.

Características

• celulósico y termoplástico
• Absorción selectiva y eliminación de niveles bajos de ciertos químicos orgánicos.
• se une fácilmente con plastificantes, calor y presión
• el acetato es soluble en muchos solventes comunes (especialmente acetona y otros solventes orgánicos) y se puede modificar para que sea soluble en solventes alternativos, incluida el agua
• hidrofílico: el acetato se humedece fácilmente, con buen transporte de líquidos y excelente absorción; en aplicaciones textiles, proporciona comodidad y absorbencia, pero también pierde fuerza cuando está mojado
• las fibras de acetato son hipoalergénicas
• área de superficie alta
• hecho de pulpa de madera, un recurso renovable
• puede ser compostado o incinerado
• se puede teñir, sin embargo, se requieren tintes y pigmentos especiales ya que el acetato no acepta los tintes que se usan normalmente para el algodón y el rayón (esto también permite el teñido cruzado)
• resistente al moho y al moho
• fácilmente debilitado por soluciones alcalinas fuertes y agentes oxidantes fuertes
• generalmente se puede lavar o limpiar en seco; generalmente no se encoge

Confusión con triacetato de celulosa

El acetato de celulosa y el triacetato de celulosa se denominan erróneamente la misma fibra; aunque son similares, sus identidades químicas difieren. El triacetato se conoce como una descripción genérica o acetato primario que no contiene grupo hidroxilo. La fibra de acetato se conoce como acetato modificado o secundario que tiene dos o más grupos hidroxilo. Las fibras de triacetato, aunque ya no se producen en los Estados Unidos, contienen una mayor proporción de acetato a celulosa que las fibras de acetato.

Película

La película de acetato de celulosa, hecha de diacetato de celulosa y más tarde de triacetato de celulosa, se introdujo en 1934 como reemplazo de la película de nitrato de celulosa que anteriormente había sido estándar. Cuando se exponen al calor o la humedad, los ácidos en la base de la película comienzan a deteriorarse hasta un estado inutilizable, liberando ácido acético con un olor avinagrado característico, lo que hace que el proceso se conozca como "síndrome del vinagre". El material de película de acetato todavía se usa en algunas aplicaciones, como el negativo de cámara para películas. Desde la década de 1980, el material de película de poliéster (a veces denominado con el nombre comercial de Kodak "ESTAR Base") se ha vuelto más común, particularmente para aplicaciones de archivo. La película de acetato también se utilizó como base para la cinta magnética, antes de la llegada de la película de poliéster.

Cinta magnética

IBM introdujo la cinta magnética de acetato de celulosa en 1952 para su uso en su unidad de cinta IBM 726 en la computadora IBM 701. Era mucho más liviana y fácil de manejar que la cinta de metal introducida por UNIVAC en 1951 para usar en su unidad de cinta UNISERVO en la computadora UNIVAC I. En 1956, la cinta magnética de acetato de celulosa fue reemplazada por la cinta magnética de película PET más estable para su uso en su unidad de cinta IBM 727.

Otros productos

• Prendas de vestir: botones, forros, blusas, vestidos, trajes de boda y fiesta, muebles para el hogar, cortinas, tapicería y fundas.
• Los marcos de anteojos se fabrican comúnmente con acetato de celulosa.
• Usos industriales: filtros de cigarrillos y otros filtros, depósitos de tinta para bolígrafos con punta de fibra.
• Productos de alta absorbencia: pañales y productos de ayuda médica.
• Los ladrillos originales de Lego se fabricaron con acetato de celulosa entre 1949 y 1963.
• Cinta de premios: las rosetas para eventos ecuestres, exposiciones caninas y felinas, premios corporativos, publicidad y productos de identificación utilizan cintas de acetato de celulosa.
• Los naipes pueden estar hechos de acetato de celulosa.
• Juguetes
• Transparencias para retroproyección

Producción

La definición de fibra de acetato de la Comisión Federal de Comercio es: "Una fibra manufacturada en la que la sustancia que forma la fibra es acetato de celulosa. Cuando no menos del 92 por ciento de los grupos hidroxilo están acetilados, el término triacetato puede usarse como una descripción genérica del fibra."

El acetato se deriva de la celulosa al deconstruir inicialmente la pulpa de madera en una celulosa blanca esponjosa purificada. Para fabricar un buen producto, se utilizan calidades especiales de pulpas, como pulpas para disolver. La reactividad desigual de la celulosa presenta un problema común que afecta la calidad del producto de acetato de celulosa. La celulosa se hace reaccionar con ácido acético y anhídrido acético en presencia de ácido sulfúrico. Se somete a una hidrólisis parcial controlada para eliminar el sulfato y un número suficiente de grupos acetato para dar al producto las propiedades deseadas. La unidad de anhidroglucosa es la estructura repetitiva fundamental de la celulosa y tiene tres grupos hidroxilo que pueden reaccionar para formar ésteres de acetato. La forma más común de fibra de acetato de celulosa tiene un grupo acetato en aproximadamente dos de cada tres hidroxilos.

Una vez formado, el acetato de celulosa se disuelve en acetona, formando una solución viscosa para la extrusión a través de hileras (que se asemejan a un cabezal de ducha). A medida que emergen los filamentos, el solvente se evapora en aire caliente a través del hilado en seco, produciendo finas fibras de acetato de celulosa.

La primera fibra de acetato comercial de EE. UU. fue producida por Celanese Corporation en 1924. Los productores actuales de fibra de acetato de EE. UU. son Celanese y Eastman Chemical Company.

Método

Hasta el día de hoy, no se ha descubierto ningún proceso para la producción directa de acetatos de celulosa. Como los intentos de producir una esterificación parcial de la celulosa dan como resultado solo una mezcla de celulosa no acetilada y completamente acetilada, se aplica una síntesis de dos pasos: la celulosa siempre se convierte completamente primero en triacetato de celulosa y luego por hidrólisis en acetatos de celulosa con grados bajos. de esterificación.

La celulosa purificada de pulpa de madera o borra de algodón se mezcla con ácido acético glacial, anhídrido acético y un catalizador. La mezcla se envejece durante 20 horas, durante las cuales se produce una hidrólisis parcial y la resina ácida precipita en forma de escamas. Estos se disuelven en acetona y la solución se purifica por filtración. La solución se extruye girando en una columna de aire caliente. Se recupera el disolvente. Los filamentos se estiran y enrollan en vigas, conos o bobinas listas para usar. Los filamentos finalmente se hilan en fibra.

La producción se divide en las siguientes etapas del proceso:

• Acondicionamiento mecánico de la pulpa: La pulpa, que normalmente se presenta en forma de rollos o láminas, se fibrila mediante diferentes tipos de trituradoras, como molinos de martillos y refinadoras de discos, donde la disposición sucesiva de ambos tipos de trituradoras asegura una disolución óptima.
• pretratamiento químico: La celulosa fibrilada se trata con ácido acético (si es necesario con la adición de pequeñas cantidades de ácido sulfúrico) con agitación moderada a 25 °C a 50 °C durante aproximadamente 1 h, lo que da como resultado una evaporación y condensación continuas del ácido acético en el espacios entre las partículas de fibra. Esto hace que las partículas de celulosa se hinchen, lo que facilita la difusión de las partículas de disolvente en estas partículas durante la siguiente etapa del proceso. Además de este pretratamiento con vapor de ácido acético, también existe un pretratamiento en estado de pulpa fina. En este proceso, la celulosa se introduce en grandes cantidades de agua o ácido acético diluido y se agita intensamente. Los pasos posteriores del proceso, como el prensado o la centrifugación, aumentan constantemente la concentración de celulosa en la pulpa. Al mismo tiempo, se añade ácido acético en concentraciones cada vez más altas. La ventaja de este proceso es el ahorro de trituración, ya que las capas de celulosa se pueden añadir directamente al tanque agitado.
• Acetilación de la celulosa: en la producción comercial de acetatos de celulosa, el proceso de ácido acético o el proceso de cloruro de metilenose utilizan generalmente para la acetilación. En los procesos con ácido acético, la masa de celulosa pretratada se hace reaccionar en una mezcla de acetilación del solvente ácido acético con un exceso de anhídrido acético, que sirve como agente de esterificación, y con ácido sulfúrico como catalizador bajo una mezcla mecánica vigorosa. La reacción es altamente exotérmica y, por lo tanto, se requiere un enfriamiento intensivo de los recipientes de reacción. El proceso de esterificación se termina agregando agua cuando se ha formado una mezcla de reacción clara altamente viscosa a partir de la pulpa fibrosa. Esta solución debe estar libre de gel y tener la viscosidad deseada. En el proceso de cloruro de metileno, se utiliza cloruro de metileno en la mezcla de acetilación como disolvente en lugar de ácido acético. Dado que el cloruro de metileno de bajo punto de ebullición se puede eliminar fácilmente por destilación, el control del proceso se logra incluso con soluciones altamente viscosas. Incluso a bajas temperaturas, puede disolver muy bien el triacetato de celulosa. Se puede usar una pequeña cantidad de ácido sulfúrico como catalizador, pero a menudo también ácido perclórico. Sin embargo, normalmente también se forma ácido acético como subproducto de la reacción, de modo que el disolvente es finalmente una mezcla de cloruro de metileno, anhídrido acético y ácido acético. Un proceso heterogéneo muy raro es el proceso de acetato de fibra, que solo se utiliza para la producción de triacetato de celulosa como producto final. En este proceso, la celulosa se suspende en un no solvente (como el benceno) y se esterifica con anhídrido acético en presencia de ácido perclórico como catalizador. pero a menudo también ácido perclórico. Sin embargo, normalmente también se forma ácido acético como subproducto de la reacción, de modo que el disolvente es finalmente una mezcla de cloruro de metileno, anhídrido acético y ácido acético. Un proceso heterogéneo muy raro es el proceso de acetato de fibra, que solo se utiliza para la producción de triacetato de celulosa como producto final. En este proceso, la celulosa se suspende en un no solvente (como el benceno) y se esterifica con anhídrido acético en presencia de ácido perclórico como catalizador. pero a menudo también ácido perclórico. Sin embargo, normalmente también se forma ácido acético como subproducto de la reacción, de modo que el disolvente es finalmente una mezcla de cloruro de metileno, anhídrido acético y ácido acético. Un proceso heterogéneo muy raro es el proceso de acetato de fibra, que solo se utiliza para la producción de triacetato de celulosa como producto final. En este proceso, la celulosa se suspende en un no solvente (como el benceno) y se esterifica con anhídrido acético en presencia de ácido perclórico como catalizador. que se utiliza únicamente para la producción de triacetato de celulosa como producto final. En este proceso, la celulosa se suspende en un no solvente (como el benceno) y se esterifica con anhídrido acético en presencia de ácido perclórico como catalizador. que se utiliza únicamente para la producción de triacetato de celulosa como producto final. En este proceso, la celulosa se suspende en un no solvente (como el benceno) y se esterifica con anhídrido acético en presencia de ácido perclórico como catalizador.
• Hidrólisis parcial: Para obtener los tipos de acetato de celulosa secundarios deseados, el triacetato de celulosa se obtiene por hidrólisis. Para este fin, la solución de triacetato se calienta normalmente entre 60 y 80 °C en presencia de un catalizador ácido (normalmente ácido sulfúrico) añadiendo agua al agitar y calentar. La hidrólisis está controlada por la concentración del ácido sulfúrico, la cantidad de agua y la temperatura de tal forma que se consigue la degradación molecular deseada (escisión de cadena). A continuación, el proceso de hidrólisis se detiene mediante la adición de sales básicas (por ejemplo, acetato de sodio o magnesio) que neutralizan el catalizador ácido.
• Precipitación del acetato de celulosa: Al precipitar el acetato de celulosa de la solución de reacción utilizando ácido acético diluido, es importante obtener copos de acetato de celulosa uniformes y fácilmente lavables. Antes de la precipitación, cualquier cloruro de metileno presente debe eliminarse completamente por destilación. Luego se recupera el ácido acético.
• Lavado y secado: mediante un lavado intensivo, que generalmente se realiza en contracorriente, el ácido acético debe eliminarse de las escamas hasta los rastros más pequeños, de lo contrario se producirán daños ("carbonización") durante el proceso de secado. Después de prensar el líquido de lavado, los copos se secan en una secadora de cinta transportadora a través de la cual fluye aire caliente hasta una humedad residual de aprox. 2-5%. Para la producción posterior de compuestos de moldeo termoplásticos de muy alta calidad, térmicamente estables, de colores brillantes y de color estable, las escamas de acetato de celulosa también se blanquean y estabilizan en pasos de proceso adicionales (para minimizar la degradación térmica y la decoloración) antes del secado final.
• Mezclado de las escamas: los pasos finales son similares al procesamiento de otros plásticos: antes de transportar las escamas de acetato de celulosa a un contenedor de recolección desde donde se transportan a las plantas de procesamiento apropiadas, las escamas se mezclan de manera controlada con precisión. Esto es para compensar las desviaciones de los acetatos de celulosa de diferentes lotes de producción. Para muchos pasos de procesamiento posteriores, los copos se muelen normalmente en polvo fino de antemano. Para poder utilizar el acetato de celulosa en métodos de procesamiento de plásticos como el moldeo por inyección, el polvo también debe mezclarse con plastificantes adecuados y otros aditivos, como aditivos funcionales para la estabilización térmica, a la intemperie, UV e IR.Las mezclas se pueden adaptar a los correspondientes requisitos de procesamiento posterior. A partir del compuesto producido por fusión, se producen gránulos que pueden entregarse a los procesadores de plásticos.

Eliminación y degradación

La producción mundial de materiales de CA superó las 800 000 toneladas (790 000 toneladas largas; 880 000 toneladas cortas) por año en 2008. Si bien inicialmente se creía que el CA era prácticamente no biodegradable, se demostró que después de la desacetilización parcial inicial, la celulosa del polímero la columna vertebral se biodegrada fácilmente por las enzimas de celulasa. En suelos biológicamente altamente activos, las fibras de CA se destruyen por completo después de 4 a 9 meses. La fotodegradación es óptima con radiación UV de longitud de onda de 280 nm o más corta y mejorada con pigmento de TiO _2. Los filtros de cigarrillos de CA tardan años en descomponerse a la intemperie.

Nombres comerciales

El acetato de celulosa se comercializa con varios nombres comerciales, como Tenite de Eastman Chemical Company, zyl y zylonite, Cellon, fabricado por Deutsche Celluloid Fabrik, Eilenburg, Alemania, y Rhodoid, fabricado por Soc. Des Usines Chim. Rhone-Poulenc, París, Francia, y May & Baker Ltd., Londres, Reino Unido. La película fundida de acetato de celulosa se fabrica en Spondon (Derbyshire, Reino Unido) por Celanese y se vende como Clarifoil.

Otros ésteres de celulosa

El butirato de acetato de celulosa (CAB, Tenite II) y el propionato de acetato de celulosa son derivados relacionados de la celulosa, que se utilizan en tintas y recubrimientos. La principal diferencia entre estos y el acetato de celulosa es su solubilidad en una gama más amplia de disolventes.