Fibra de celulosa
Las fibras de celulosa son fibras elaboradas con éteres o ésteres de celulosa, que pueden obtenerse de la corteza, la madera o las hojas de las plantas, o de otro material de origen vegetal. Además de celulosa, las fibras también pueden contener hemicelulosa y lignina, con diferentes porcentajes de estos componentes alterando las propiedades mecánicas de las fibras.
Las principales aplicaciones de las fibras de celulosa se encuentran en la industria textil, como filtros químicos y como compuestos de refuerzo de fibras, debido a sus propiedades similares a las fibras de ingeniería, siendo otra opción para los biocompuestos y compuestos poliméricos.
Historia
La celulosa fue descubierta en 1838 por el químico francés Anselme Payen, quien la aisló de la materia vegetal y determinó su fórmula química. Hyatt Manufacturing Company utilizó la celulosa para producir el primer polímero termoplástico exitoso, el celuloide, en 1870. La producción de rayón ("seda artificial") a partir de celulosa comenzó en la década de 1890 y el celofán se inventó en 1912. En 1893, Arthur D. Little de Boston, inventó otro producto celulósico, el acetato, y lo desarrolló como película. Los primeros usos textiles comerciales para el acetato en forma de fibra fueron desarrollados por Celanese Company en 1924. Hermann Staudinger determinó la estructura polimérica de la celulosa en 1920. El compuesto se sintetizó químicamente por primera vez (sin el uso de enzimas de origen biológico) en 1992, por Kobayashi y Shoda.
Estructura de celulosa
La celulosa es un polímero hecho de moléculas de glucosa repetitivas unidas de extremo a extremo. Una molécula de celulosa puede tener una longitud de varios cientos a más de 10.000 unidades de glucosa. La celulosa es similar en forma a los carbohidratos complejos como el almidón y el glucógeno. Estos polisacáridos también están hechos de múltiples subunidades de glucosa. La diferencia entre la celulosa y otras moléculas de carbohidratos complejos es cómo se unen las moléculas de glucosa. Además, la celulosa es un polímero de cadena lineal y cada molécula de celulosa es larga y parecida a una barra. Esto difiere del almidón, que es una molécula enrollada. Un resultado de estas diferencias en la estructura es que, en comparación con el almidón y otros carbohidratos, la celulosa no puede descomponerse en sus subunidades de glucosa por ninguna enzima producida por animales.
Tipos
Fibras de celulosa naturales
Las fibras de celulosa natural aún son reconocibles como parte de la planta original porque solo se procesan tanto como sea necesario para limpiar las fibras para su uso.Por ejemplo, las fibras de algodón se parecen a las bolas de algodón suaves y esponjosas de las que provienen. Las fibras de lino se parecen a las fuertes hebras fibrosas de la planta del lino. Todas las fibras "naturales" pasan por un proceso en el que se separan de las partes de la planta que no se utilizan para el producto final, generalmente a través de la cosecha, la separación de la paja, el lavado, etc. La presencia de cadenas lineales de miles de unidades de glucosa unidos entre sí permite una gran cantidad de enlaces de hidrógeno entre los grupos OH en cadenas adyacentes, lo que hace que se empaqueten estrechamente en las fibras de celulosa. Como resultado, la celulosa muestra poca interacción con el agua o cualquier otro solvente. El algodón y la madera, por ejemplo, son completamente insolubles en agua y tienen una resistencia mecánica considerable. Como la celulosa no tiene una estructura helicoidal como la amilosa,
Fibras de celulosa manufacturadas
Las fibras de celulosa fabricadas provienen de plantas que se procesan en una pulpa y luego se extruyen de la misma manera que se fabrican las fibras sintéticas como el poliéster o el nailon. El rayón o viscosa es una de las fibras de celulosa "manufacturadas" más comunes y puede fabricarse a partir de pulpa de madera.
Estructura y propiedades
Las fibras naturales están compuestas por microfibrillas de celulosa en una matriz de hemicelulosa y lignina. Este tipo de estructura y la composición química de las mismas es la responsable de las propiedades mecánicas que se pueden observar. Debido a que las fibras naturales forman puentes de hidrógeno entre las cadenas largas, tienen la rigidez y la fuerza necesarias.
Composición química
Los principales constituyentes de las fibras naturales (lignocelulosas) son la celulosa, la hemicelulosa, la lignina, la pectina y la ceniza. El porcentaje de cada componente varía para cada tipo diferente de fibra, sin embargo, por lo general, rondan el 60-80% de celulosa, el 5-20% de lignina y el 20% de humedad, además de hemicelulosa y un pequeño porcentaje de componentes químicos residuales. Las propiedades de la fibra cambian dependiendo de la cantidad de cada componente, ya que la hemicelulosa es responsable de la absorción de humedad, la biodegradación y la degradación térmica, mientras que la lignina asegura la estabilidad térmica pero es responsable de la degradación UV. La composición química de las fibras naturales comunes se muestra a continuación y puede cambiar si las fibras son una fibra basta (obtenida de la corteza), una fibra central (obtenida de la madera) o una fibra de hoja (obtenida de las hojas).
| tipo de fibra | Celulosa (%) | Lignina (%) | Hemicelulosa (%) | pectina (%) | Ceniza (%) | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Fibra basta | Fibra de lino | 71 | 2.2 | 18,6 – 20,6 | 2.3 | – |
| semilla de lino | 43–47 | 21–23 | 24–26 | – | 5 | |
| Kenaf | 31–57 | 15–19 | 21.5–23 | – | 2–5 | |
| Yute | 45–71,5 | 12–26 | 13.6–21 | 0.2 | 0.5–2 | |
| Cáñamo | 57–77 | 3.7–13 | 14–22.4 | 0.9 | 0.8 | |
| Ramina | 68.6–91 | 0,6–0,7 | 5–16,7 | 1.9 | – | |
| Fibra de núcleo | Kenaf | 37–49 | 15–21 | 18–24 | – | 2–4 |
| Yute | 41–48 | 21–24 | 18–22 | – | 0.8 | |
| Fibra de hoja | Abacá | 56–63 | 7–9 | 15–17 | – | 3 |
| Sisal | 47–78 | 7–11 | 10–24 | 10 | 0,6–1 | |
| Henequén | 77.6 | 13.1 | 4–8 | – | – |
Propiedades mecánicas
La respuesta de la fibra de celulosa a las tensiones mecánicas cambia según el tipo de fibra y la estructura química presente. La información sobre las principales propiedades mecánicas se muestra en el cuadro a continuación y se puede comparar con las propiedades de las fibras comúnmente utilizadas, como la fibra de vidrio, la fibra de aramida y la fibra de carbono.
| Fibra | Densidad (g/cm) | Elongación (%) | Resistencia a la tracción (MPa) | Módulo de Young (GPa) |
|---|---|---|---|---|
| Algodón | 1.5–1.6 | 3,0–10,0 | 287–597 | 5.5–12.6 |
| Yute | 1.3–1.46 | 1.5–1.8 | 393–800 | 10–30 |
| Linaza | 1.4–1.5 | 1.2–3.2 | 345–1500 | 27,6–80 |
| Cáñamo | 1.48 | 1.6 | 550–900 | 70 |
| Ramina | 1.5 | 2,0–3,8 | 220–938 | 44–128 |
| Sisal | 1,33–1,5 | 2.0–14 | 400–700 | 9,0–38,0 |
| fibra de coco | 1.2 | 15,0–30,0 | 175–220 | 4,0–6,0 |
| Kraft de madera blanda | 1.5 | – | 1000 | 40,0 |
| E-vidrio | 2.5 | 2,5–3,0 | 2000–3500 | 70.0 |
| S-vidrio | 2.5 | 2.8 | 4570 | 86,0 |
| Aramida | 1.4 | 3.3–3.7 | 3000–3150 | 63,0–67,0 |
| Carbón | 1.4 | 1.4–1.8 | 4000 | 230,0–240,0 |
Propiedades superficiales e interfaciales
La hidrofilia, la rugosidad y la carga superficial determinan la interacción de las fibras de celulosa con un entorno acuoso. Ya en 1950, se investigó la carga en la interfaz entre el algodón como fibra de celulosa predominante y un entorno acuoso mediante el método del potencial de transmisión para evaluar el potencial zeta de la superficie. Debido a la alta propensión a hincharse de las fibras lignocelulósicas, se ha observado una correlación entre el potencial zeta y la capacidad de absorción de agua. Incluso para el uso de fibras de desecho como refuerzo en materiales compuestos, las fibras aprestadas se han probado mediante una solución de prueba acuosa. En el Manual de fibras naturales se encuentra una revisión de las propiedades electrocinéticas de las fibras naturales, incluidas las fibras de celulosa y lignocelulósicas.
Aplicaciones
Materiales compuestos
| Matriz | Fibra |
|---|---|
| Epoxy | abacá, bambú, yute |
| Caucho natural | fibra de coco, sisal |
| Caucho nitrilo | Yute |
| Fenol-formaldehído | Yute |
| Polietileno | Kenaf, piña, sisal, fibra de madera |
| polipropileno | Lino, yute, kenaf, cáñamo solar, paja de trigo, fibra de madera |
| Poliestireno | Madera |
| Poliuretano | Madera |
| Cloruro de polivinilo | Madera |
| Poliéster | Plátano, yute, piña, cáñamo solar |
| Estireno-butadieno | Yute |
| Goma | Aceite de palma |
Los materiales compuestos son una clase de material fabricado con mayor frecuencia mediante la combinación de una fibra con un material aglutinante (matriz). Esta combinación mezcla las propiedades de la fibra con la matriz para crear un nuevo material que puede ser más fuerte que la fibra sola. Cuando se combinan con polímeros, las fibras de celulosa se utilizan para crear algunos materiales reforzados con fibra, como biocompuestos y plásticos reforzados con fibra. La tabla muestra diferentes matrices poliméricas y las fibras de celulosa con las que a menudo se mezclan.
Dado que las características macroscópicas de las fibras influyen en el comportamiento del material compuesto resultante, las siguientes propiedades físicas y mecánicas son de particular interés:
- Dimensiones: La relación entre la longitud y el diámetro de las fibras es un factor determinante en la transferencia de esfuerzos a la matriz. Además, la sección transversal irregular y la apariencia fibrilada de las fibras vegetales ayudan a anclarlas dentro de una matriz frágil.
- Volumen de huecos y absorción de agua: Las fibras son bastante porosas con un gran volumen de huecos internos. Como resultado, cuando las fibras se sumergen en el material aglutinante, absorben una gran cantidad de matriz. La alta absorción puede provocar el encogimiento de las fibras y el hinchamiento de la matriz. Sin embargo, un alto volumen vacío contribuye a reducir el peso, aumentar la absorción acústica y reducir la conductividad térmica del material compuesto final.
- Resistencia a la tracción: Similar, en promedio, a las fibras de polipropileno.
- Módulo elástico: Las fibras celulósicas tienen un módulo de elasticidad bajo. Esto determina su uso en la construcción de componentes que trabajen en etapa postfisurada, con alta absorción de energía y resistencia a las fuerzas dinámicas.
Textil
En la industria textil, la celulosa regenerada se utiliza como fibras como el rayón (incluido el modal y el Lyocell desarrollado más recientemente). Las fibras de celulosa se fabrican a partir de pulpa en disolución. Las fibras a base de celulosa son de dos tipos, celulosa regenerada o pura como la del proceso de cuproamonio y celulosa modificada como los acetatos de celulosa.
La primera fibra artificial, promocionada comercialmente como seda artificial, se conoció como viscosa alrededor de 1894 y, finalmente, como rayón en 1924. En 1865 se descubrió un producto similar conocido como acetato de celulosa. Tanto el rayón como el acetato son fibras artificiales, pero no totalmente sintéticas, siendo un producto de una materia prima digerida químicamente que comprende madera natural. Tampoco son una construcción artificial de seda, que es un polímero fibroso de proteínas animales. Aunque estas fibras artificiales se descubrieron a mediados del siglo XIX, la fabricación moderna exitosa comenzó mucho más tarde.
Filtración
Las aplicaciones de ayuda a la infiltración/filtración de fibras de celulosa pueden proporcionar una capa protectora para filtrar elementos como la celulosa en polvo, además de promover un mejor rendimiento y claridad. Como filtración sin cenizas y no abrasiva, realice una limpieza sin esfuerzo después del proceso de filtración sin dañar las bombas ni las válvulas. Filtran eficazmente las impurezas metálicas y absorben hasta el 100% del aceite emulsionado y los condensados de calderas. En general, las fibras de celulosa en aplicaciones de filtración pueden mejorar en gran medida el rendimiento de la filtración cuando se usan como capa preliminar primaria o reparadora de las siguientes maneras:
- Cubrir huecos en el tabique del filtro y pequeñas fugas mecánicas en las juntas y los asientos de las hojas
- Mejorar la estabilidad de la torta de filtrado para hacerla más resistente a golpes de presión e interrupciones
- Creación de una precapa más uniforme sin grietas para una superficie de filtración más eficaz
- Mejorar la liberación de la torta y reducir los requisitos de limpieza
- Prevención de la fuga de partículas finas
- Revestimiento fácil y rápido y reducción de la contaminación soluble
Comparación con otras fibras
En comparación con las fibras de ingeniería, las fibras de celulosa tienen ventajas importantes como baja densidad, bajo costo, pueden ser reciclables y son biodegradables. Debido a sus ventajas, las fibras de celulosa se pueden utilizar como sustituto de las fibras de vidrio en materiales compuestos.
Cuestiones ambientales
Lo que a menudo se comercializa como "fibra de bambú" en realidad no son las fibras que crecen en su forma natural a partir de las plantas de bambú, sino una pulpa de bambú altamente procesada que se extruye en forma de fibras. Aunque el proceso no es tan respetuoso con el medio ambiente como parece la "fibra de bambú", plantar y cosechar bambú para obtener fibra puede, en ciertos casos, ser más sostenible y respetuoso con el medio ambiente que cosechar árboles de crecimiento lento y limpiar los hábitats forestales existentes para plantaciones de madera.
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