Rayón

El rayón o seda artificial es una fibra semisintética, hecha de fuentes naturales de celulosa regenerada, como la madera y productos agrícolas relacionados. Tiene la misma estructura molecular que la celulosa. También se le llama viscosa. Existen muchos tipos y grados de fibras y películas de viscosa. Algunos imitan el tacto y la textura de fibras naturales como la seda, la lana, el algodón y el lino. Los tipos que se asemejan a la seda a menudo se denominan seda artificial.

La fibra se utiliza para fabricar textiles para prendas de vestir y otros fines. La producción de rayón implica la solubilización de la celulosa para permitir convertir las fibras en la forma requerida. Tres formas comunes de solubilizar son el proceso de cupramonio, que no se usa hoy en día, usando soluciones amoniacales de sales de cobre; el proceso de viscosa, el más común hoy en día, utilizando álcali y sulfuro de carbono; y el proceso Lyocell, utilizando óxido de amina. Este último evita el sulfuro de carbono neurotóxico del proceso de viscosa pero también es más costoso.

Rayón y sus variantes

El rayón se produce disolviendo la celulosa y luego convirtiendo esta solución nuevamente en celulosa fibrosa insoluble. Se han desarrollado varios procesos para esta regeneración. Los métodos más comunes para crear rayón son el método de cupramonio, el método de viscosa y el proceso de lyocell. Los dos primeros métodos se han practicado durante más de un siglo.

Métodos de cupramonio

El químico suizo Matthias Eduard Schweizer (1818–1860) descubrió que la celulosa se disuelve en dihidróxido de tetraaminocobre. Max Fremery y Johann Urban desarrollaron un método para producir fibras de carbono para su uso en bombillas en 1897. La producción de rayón de cupramonio para textiles comenzó en 1899 en Vereinigte Glanzstoff Fabriken AG en Oberbruch, cerca de Aquisgrán. La mejora de JP Bemberg AG en 1904 convirtió a la seda artificial en un producto comparable a la seda real.

El rayón cupramonio tiene propiedades similares a la viscosa; sin embargo, durante su producción, la celulosa se combina con cobre y amoníaco (reactivo de Schweizer). Debido a los efectos ambientales perjudiciales de este método de producción, el rayón cupramonio ya no se produce en los Estados Unidos. El proceso ha sido descrito como histórico, pero una empresa en Japón todavía fabrica rayón de cupramonio.

El sulfato de tetraamminocobre (II) también se usa como solvente.

Método viscosa

El químico inglés Charles Frederick Cross y sus colaboradores, Edward John Bevan y Clayton Beadle, patentaron su seda artificial en 1894. Llamaron a su material "viscosa" porque su producción implicaba la intermediación de una solución altamente viscosa. El proceso se basó en la reacción de la celulosa con una base fuerte, seguida del tratamiento de esa solución con disulfuro de carbono para dar un derivado de xantato. Luego, el xantato se vuelve a convertir en una fibra de celulosa en un paso posterior.

El primer rayón viscoso comercial fue producido por la empresa británica Courtaulds Fibers en noviembre de 1905. Courtaulds formó una división estadounidense, American Viscose (más tarde conocida como Avtex Fibers), para producir su formulación en los Estados Unidos en 1910. El nombre "rayón" fue adoptado en 1924, y se utilizó "viscosa" para el líquido orgánico viscoso que se usa para fabricar rayón y celofán. Sin embargo, en Europa, la tela en sí se conoció como "viscosa", término que la Comisión Federal de Comercio de EE. UU. (FTC) ha declarado como un término alternativo aceptable para el rayón.

El método de la viscosa puede usar madera como fuente de celulosa, mientras que otras rutas hacia el rayón requieren celulosa sin lignina como material de partida. El uso de fuentes leñosas de celulosa abarata la viscosa, por lo que tradicionalmente se usaba a mayor escala que los otros métodos. Por otro lado, el proceso de viscosa original genera grandes cantidades de aguas residuales contaminadas. Las tecnologías más nuevas utilizan menos agua y han mejorado la calidad de las aguas residuales. El rayón se produjo solo como fibra de filamento hasta la década de 1930, cuando se desarrollaron métodos para utilizar "rayón de desecho roto" como fibra cortada.

Viscosa modificada estructuralmente

Las propiedades físicas del rayón se mantuvieron sin cambios hasta el desarrollo del rayón de alta tenacidad en la década de 1940. La investigación y el desarrollo posteriores condujeron al rayón de alto módulo de humedad (rayón HWM) en la década de 1950. La investigación en el Reino Unido se centró en la Asociación Británica de Investigación de Rayón financiada por el gobierno.

El rayón de alta tenacidad es otra versión modificada de la viscosa que tiene casi el doble de resistencia que el HWM. Este tipo de rayón se usa típicamente para fines industriales, como cuerdas para neumáticos.

Las aplicaciones industriales del rayón surgieron alrededor de 1935. Sustituyendo la fibra de algodón en neumáticos y cinturones, los tipos industriales de rayón desarrollaron un conjunto de propiedades totalmente diferente, entre las cuales la resistencia a la tracción y el módulo elástico eran primordiales.

Modal es una marca comercial genérica de Lenzing AG, utilizada para el rayón (viscosa) que se estira a medida que se fabrica, alineando las moléculas a lo largo de las fibras. Hay dos formas disponibles: "polinósica" y "módulo húmedo alto" (HWM). El rayón de alto módulo húmedo es una versión modificada de la viscosa que es más fuerte cuando está mojado. Se puede mercerizar como el algodón. Los rayones HWM también se conocen como "polinósicos". Las fibras polinósicas son dimensionalmente estables y no se encogen ni se deforman cuando se humedecen como muchos rayones. También son resistentes al desgaste y fuertes mientras mantienen una sensación suave y sedosa. A veces se identifican con el nombre comercial Modal.

El modal se usa solo o con otras fibras (a menudo algodón o spandex) en prendas de vestir y artículos para el hogar como pijamas, ropa interior, batas de baño, toallas y sábanas. El modal se puede secar en secadora sin dañarlo. Se sabe que la tela forma menos bolitas que el algodón debido a las propiedades de la fibra y la menor fricción superficial. El modal se fabrica hilando celulosa de haya y se considera una alternativa más ecológica que el algodón, ya que el proceso de producción utiliza una media de 10 a 20 veces menos agua.

Método lyocell

El proceso de lyocell se basa en la disolución de productos de celulosa en un disolvente, N-óxido de N-metilmorfolina (NMMO). El proceso de lyocell no se usa mucho porque es más caro que el proceso de viscosa.

El proceso comienza con la celulosa e implica la hilatura en húmedo con chorro seco. Fue desarrollado en la ahora desaparecida American Enka Company y Courtaulds Fibres. El Tencel de Lenzing es un ejemplo de fibra de lyocell. A diferencia del proceso de viscosa, el proceso de lycocell no utiliza sulfuro de carbono altamente tóxico. "Lyocell" se ha convertido en una marca comercial genérica, utilizada para referirse al proceso de lyocell para fabricar fibras de celulosa.

Materiales relacionados

Los materiales relacionados no son celulosa regenerada, sino ésteres de celulosa.

Nitrocelulosa

La nitrocelulosa es un derivado de la celulosa que es soluble en disolventes orgánicos. Se utiliza principalmente como explosivo o como laca. Muchos de los primeros plásticos, incluido el celuloide, estaban hechos de nitrocelulosa.

Acetato

El acetato de celulosa comparte muchas similitudes con el rayón viscosa y anteriormente se consideraba el mismo textil. Sin embargo, 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, y las prendas de acetato se desintegran cuando se calientan en una secadora. Ahora se requiere que las dos telas se enumeren claramente en las etiquetas de las prendas.

Celofán

El celofán generalmente se fabrica mediante el proceso de viscosa, pero se seca en láminas en lugar de fibras.

Principales propiedades de la fibra

El rayón es una fibra versátil y se afirma ampliamente que tiene las mismas propiedades de comodidad que las fibras naturales, aunque la caída y el deslizamiento de los textiles de rayón suelen parecerse más al nailon. Puede imitar el tacto y la textura de la seda, la lana, el algodón y el lino. Las fibras se tiñen fácilmente en una amplia gama de colores. Las telas de rayón son suaves, lisas, frescas, cómodas y altamente absorbentes, pero no siempre aíslan el calor corporal, lo que las hace ideales para usar en climas cálidos y húmedos, aunque también hacen que su "mano" (se sienta) fresca y, a veces, casi viscosa. al tacto.

La durabilidad y la retención de la apariencia de los rayones de viscosa regulares son bajas, especialmente cuando están húmedos; además, el rayón tiene la recuperación elástica más baja de todas las fibras. Sin embargo, el rayón HWM (rayón de alto módulo de humedad) es mucho más fuerte y exhibe una mayor durabilidad y retención de apariencia. El cuidado recomendado para el rayón viscosa regular es solo limpieza en seco. El rayón HWM se puede lavar a máquina.

• Galería de texturas de rayón
• Una muestra de rayón de una falda fotografiada con una lente macro.
• Otra falda con una textura diferente.
• Una blusa con una textura similar a la segunda.

El rayón regular tiene líneas longitudinales llamadas estrías y su sección transversal es una forma circular dentada. Las secciones transversales de HWM y cupra rayon son más redondas. Los hilos de rayón de filamento varían de 80 a 980 filamentos por hilo y varían en tamaño de 40 a 5000 denier. Las fibras cortadas oscilan entre 1,5 y 15 denier y se rizan mecánica o químicamente. Las fibras de rayón son naturalmente muy brillantes, pero la adición de pigmentos deslumbrantes reduce este brillo natural.

Fabricar

Vista simplificada de la xantación de celulosa.

La materia prima de la viscosa es principalmente pulpa de madera (a veces pulpa de bambú), que se convierte químicamente en un compuesto soluble. Luego se disuelve y se fuerza a través de una hilera para producir filamentos que se solidifican químicamente, lo que da como resultado fibras de celulosa casi pura. A menos que los productos químicos se manipulen con cuidado, los trabajadores pueden resultar gravemente dañados por el disulfuro de carbono que se utiliza para fabricar la mayoría del rayón.

Para preparar viscosa, la pulpa se trata con hidróxido de sodio acuoso (típicamente 16-19 % p/p) para formar "celulosa alcalina", que tiene la fórmula aproximada [C ₆ H ₉ O ₄ -ONa] _n. Este material se deja despolimerizar hasta cierto punto. La tasa de despolimerización (maduración o maduración) depende de la temperatura y se ve afectada por la presencia de varios aditivos inorgánicos, como óxidos e hidróxidos metálicos. El aire también afecta el proceso de maduración ya que el oxígeno provoca la despolimerización. La celulosa alcalina se trata luego con disulfuro de carbono para formar xantato de celulosa de sodio.[C ₆ H ₅ (OH) ₄ -ONa] _n + n CS ₂ → [C ₆ H ₅ (OH) ₄ -OCS ₂ Na] _n

La fibra de rayón se produce a partir de soluciones maduras mediante tratamiento con un ácido mineral, como el ácido sulfúrico. En este paso, los grupos xantato se hidrolizan para regenerar celulosa y disulfuro de carbono.[C ₆ H ₅ (OH) ₄ -OCS ₂ Na] _{2 n} + n H ₂ SO ₄ → [C ₆ H ₅ (OH) ₄ -OH] _{2 n} +2 n CS ₂ + n Na ₂ SO ₄

Aparte de la celulosa regenerada, la acidificación da sulfuro de hidrógeno (H ₂ S), azufre y disulfuro de carbono. El hilo hecho de celulosa regenerada se lava para eliminar el ácido residual. Luego se elimina el azufre mediante la adición de solución de sulfuro de sodio y las impurezas se oxidan mediante blanqueo con solución de hipoclorito de sodio o solución de peróxido de hidrógeno.

La producción comienza con la celulosa procesada obtenida a partir de pulpa de madera y fibras vegetales. El contenido de celulosa en la pulpa debe rondar el 87-97%.

Los pasos:

1. Inmersión: La celulosa se trata con sosa cáustica.
2. Prensado. Luego, la celulosa tratada se presiona entre rodillos para eliminar el exceso de líquido.
3. Las hojas prensadas se desmenuzan o trituran para producir lo que se conoce como "miga blanca".
4. La "miga blanca" se envejece mediante la exposición al oxígeno. Este es un paso de despolimerización y se evita en el caso de los polinósicos.
5. La "miga blanca" envejecida se mezcla en tinas con disulfuro de carbono para formar el xantato (consulte la ecuación química anterior). Este paso produce una "miga naranja-amarilla".
6. La "miga amarilla" se disuelve en una solución cáustica para formar viscosa. La viscosa se deja reposar durante un período de tiempo, lo que le permite "madurar". Durante esta etapa cambia el peso molecular del polímero.
7. Después de la maduración, la viscosa se filtra, se desgasifica y luego se extruye a través de una hilera en un baño de ácido sulfúrico, lo que resulta en la formación de filamentos de rayón. El ácido se utiliza como agente regenerador. Convierte el xantato de celulosa de nuevo en celulosa. El paso de regeneración es rápido, lo que no permite la orientación adecuada de las moléculas de celulosa. Entonces, para retrasar el proceso de regeneración, se usa sulfato de zinc en el baño que convierte el xantato de celulosa en xantato de celulosa de zinc, lo que proporciona tiempo para que se lleve a cabo la orientación adecuada antes de la regeneración.

1. Hilado. El hilado de la fibra de rayón viscosa se realiza mediante un proceso de hilado en húmedo. Se permite que los filamentos pasen a través de un baño de coagulación después de la extrusión de los orificios de la hilera. Se produce la transferencia de masa bidireccional.
2. Dibujo. Los filamentos de rayón se estiran, en un procedimiento conocido como estirado, para enderezar las fibras.
3. Lavado. Luego, las fibras se lavan para eliminar cualquier residuo químico de ellas.
4. Corte. Si se desean fibras de filamento, entonces el proceso termina aquí. Los filamentos se cortan cuando se producen fibras cortadas.

Toxicidad por disulfuro de carbono

El disulfuro de carbono es altamente tóxico. Está bien documentado que ha dañado gravemente la salud de los trabajadores del rayón en los países desarrollados (ver la sección de historia), y las emisiones también pueden dañar la salud de las personas que viven cerca de las plantas de rayón y su ganado. Se desconocen las tasas de discapacidad en las fábricas modernas (principalmente en China, Indonesia e India). Esto ha suscitado preocupaciones éticas sobre la producción de rayón viscosa. A partir de 2016, las instalaciones de producción ubicadas en países en desarrollo generalmente no brindan datos ambientales o de seguridad laboral.

La mayoría de las emisiones globales de disulfuro de carbono provienen de la producción de rayón, a partir de 2008. A partir de 2004, se emiten alrededor de 250 g de disulfuro de carbono por kilogramo de rayón producido.

Las tecnologías de control han permitido una mejor recolección de disulfuro de carbono y su reutilización, lo que se traduce en una reducción de las emisiones de disulfuro de carbono. Estos no siempre se han implementado en lugares donde no era legalmente requerido y rentable.

El disulfuro de carbono es volátil y se pierde antes de que el rayón llegue al consumidor; el rayón en sí es básicamente celulosa pura.

Historia

Viscosas

El científico e industrial francés Hilaire de Chardonnet (1838–1924), inventor de la primera fibra textil artificial, la seda artificial, creó la viscosa. Los científicos británicos Charles Frederick Cross y Edward John Bevan obtuvieron la Patente británica No. 8.700, "Mejoras en la disolución de celulosa y compuestos afines" en mayo de 1892. En 1893, formaron Viscose Syndicate para otorgar licencias y, en 1896, formaron el British Viscoid Co. Ltd. para explotar el proceso.

Los estudios de la década de 1930 muestran que el 30 % de los trabajadores estadounidenses del rayón sufrieron graves efectos en la salud debido a la exposición al disulfuro de carbono. Courtaulds trabajó duro para evitar que esta información se publicara en Gran Bretaña.

Durante la Segunda Guerra Mundial, los presos políticos de la Alemania nazi fueron obligados a trabajar en condiciones espantosas en la fábrica de rayón Phrix en Krefeld. Los nazis utilizaron trabajo forzado para producir rayón en toda la Europa ocupada.

En la década de 1990, los productores de rayón viscosa enfrentaron demandas por contaminación ambiental negligente. Las tecnologías de reducción de emisiones se habían utilizado sistemáticamente. La recuperación de lecho de carbono, por ejemplo, que reduce las emisiones en aproximadamente un 90 %, fue utilizada en Europa, pero no en EE. UU., por Courtaulds. El control de la contaminación y la seguridad de los trabajadores comenzaron a convertirse en factores limitantes de los costos de producción.

Japón ha reducido las emisiones de disulfuro de carbono por kilogramo de rayón viscosa producido (alrededor de un 16 % por año), pero en otros países productores de rayón, incluida China, las emisiones no están controladas. La producción de rayón es constante o está disminuyendo excepto en China, donde está aumentando desde 2004.

La producción de rayón se ha trasladado en gran medida al mundo en desarrollo, especialmente a China, Indonesia e India. Se desconocen las tasas de discapacidad en estas fábricas, a partir de 2016, y continúan las preocupaciones por la seguridad de los trabajadores.

Lyocell

El desarrollo de lyocell fue motivado por preocupaciones ambientales; Los investigadores buscaron fabricar rayón por medios menos dañinos que el método de la viscosa.

El proceso de lyocell fue desarrollado en 1972 por un equipo en la ya desaparecida instalación de fibras American Enka en Enka, Carolina del Norte. En 2003, la Asociación Estadounidense de Químicos y Coloristas Textiles (AATCC) otorgó a Neal E. Franks su Premio Henry E. Millson a la invención del lyocell. En 1966–1968, DL Johnson de Eastman Kodak Inc. estudió las soluciones NMMO. En la década de 1969 a 1979, American Enka intentó sin éxito comercializar el proceso. El nombre operativo de la fibra dentro de la organización Enka era "Newcell", y el desarrollo se llevó a cabo a escala de planta piloto antes de que se detuviera el trabajo.

El proceso básico de disolución de celulosa en NMMO se describió por primera vez en una patente de 1981 de Mcorsley para Akzona Incorporated (la sociedad de cartera de Akzo). En la década de 1980, Akzo otorgó la patente a Courtaulds y Lenzing.

La fibra fue desarrollada por Courtaulds Fibers bajo la marca "Tencel" en la década de 1980. En 1982, se construyó una planta piloto de 100 kg/semana en Coventry, Reino Unido, y la producción se multiplicó por diez (a una tonelada/semana) en 1984. En 1988, se inauguró una línea de producción semicomercial de 25 toneladas/semana en Grimsby, Reino Unido., planta piloto.

El proceso se comercializó por primera vez en las fábricas de rayón de Courtaulds en Mobile, Alabama (1990), y en la planta de Grimsby (1998). En enero de 1993, la planta de Mobile Tencel alcanzó niveles de producción completos de 20.000 toneladas por año, momento en el que Courtaulds había gastado 100 millones de libras esterlinas y 10 años en el desarrollo de Tencel. Se estimó que los ingresos de Tencel para 1993 probablemente serían de 50 millones de libras esterlinas. Se planeó una segunda planta en Mobile. Para 2004, la producción se había cuadriplicado a 80.000 toneladas.

Lenzing comenzó una planta piloto en 1990 y la producción comercial en 1997, con 12 toneladas métricas/año fabricadas en una planta en Heiligenkreuz im Lafnitztal, Austria. Cuando una explosión golpeó la planta en 2003, estaba produciendo 20.000 t/año y tenía previsto duplicar la capacidad para finales de año. En 2004, Lenzing producía 40.000 toneladas [sic, probablemente toneladas métricas]. En 1998, Lenzing y Courtaulds llegaron a un acuerdo de disputa de patentes.

En 1998, Courtaulds fue adquirida por el competidor Akzo Nobel, que combinó la división Tencel con otras divisiones de fibra bajo la marca Accordis y luego las vendió a la firma de capital privado CVC Partners. En 2000, CVC vendió la división Tencel a Lenzing AG, que la combinó con su negocio "Lenzing Lyocell", pero mantuvo la marca Tencel. Se hizo cargo de las plantas de Mobile y Grimsby y, en 2015, era el mayor productor de lyocell con 130.000 t/año.

A partir de 2018, el proceso de lyocell no se usa mucho, porque sigue siendo más caro que el proceso de viscosa.

Eliminación y biodegradabilidad

Investigadores coreanos evaluaron la biodegradabilidad de diversas fibras en lodos enterrados y de aguas residuales. Se descubrió que el rayón es más biodegradable que el algodón y el algodón más que el acetato. Cuanto más repelente al agua sea el tejido a base de rayón, más lentamente se descompondrá. Silverfish, como el firebrat, puede comer rayón, pero se encontró que el daño fue menor, posiblemente debido a la textura pesada y resbaladiza del rayón probado. Otro estudio afirma que "la seda artificial [...] [era] fácil de comer" por el pez plateado gris.

Una encuesta oceánica de 2014 encontró que el rayón contribuía con el 56,9 % del total de fibras que se encuentran en las zonas oceánicas profundas, siendo el resto poliéster, poliamidas, acetato y acrílico. Un estudio de 2016 encontró una discrepancia en la capacidad de identificar fibras naturales en un entorno marino a través de la espectroscopia infrarroja transformada de Fourier. En cambio, investigaciones posteriores sobre microfibras oceánicas encontraron que el algodón era la combinación más frecuente (50 % de todas las fibras), seguido de otras fibras celulósicas con un 29,5 % (p. ej., rayón/viscosa, lino, yute, kenaf, cáñamo, etc.). No se realizó un análisis adicional de la contribución específica del rayón a las fibras oceánicas debido a la dificultad de distinguir entre fibras celulósicas naturales y artificiales mediante espectros FTIR.

Silvicultura sostenible

Durante varios años, ha habido preocupaciones sobre los vínculos entre los fabricantes de rayón y la deforestación. Como resultado de estas preocupaciones, FSC y PEFC llegaron a la misma plataforma con CanopyPlanet para enfocarse en estos temas. Posteriormente, CanopyPlanet comenzó a publicar un informe anual Hot Button, que coloca a todos los fabricantes de celulosa artificial a nivel mundial en la misma plataforma de puntuación. La puntuación del informe de 2020 califica a todos estos fabricantes en una escala de 35, y Birla Cellulose (33) y Lenzing (30,5) lograron las puntuaciones más altas.

Productores y marcas

En 2018, la producción de fibra de viscosa en el mundo fue de aproximadamente 5,8 millones de toneladas, y China fue el mayor productor con alrededor del 65 % de la producción mundial total. Los nombres comerciales se utilizan dentro de la industria del rayón para etiquetar el tipo de rayón en el producto. Viscose Rayon fue producido por primera vez en Coventry, Inglaterra, en 1905 por Courtaulds.

Bemberg es un nombre comercial para el rayón cupramonio desarrollado por JP Bemberg. Bemberg se comporta como la viscosa, pero tiene un diámetro más pequeño y se acerca más a la sensación de la seda. Bemberg ahora solo se produce en Japón. Las fibras son más finas que el rayón viscosa.

Modal y Tencel son formas de rayón ampliamente utilizadas producidas por Lenzing AG. Tencel, cuyo nombre genérico es lyocell, se fabrica mediante un proceso de recuperación de solventes ligeramente diferente y la FTC de EE. UU. lo considera una fibra diferente. Tencel lyocell fue producido comercialmente por primera vez por la planta Grimsby de Courtaulds en Inglaterra. El proceso, que disuelve la celulosa sin una reacción química, fue desarrollado por Courtaulds Research.

Birla Cellulose también es un fabricante de volumen de rayón. Tienen plantas ubicadas en India, Indonesia y China.

Accordis era un importante fabricante de fibras e hilos a base de celulosa. Las instalaciones de producción se pueden encontrar en toda Europa, EE. UU. y Brasil.

Visil rayón y HOPE FR son formas de viscosa retardantes de llama que tienen sílice incrustado en la fibra durante la fabricación.

North American Rayon Corporation of Tennessee produjo rayón viscosa hasta su cierre en el año 2000.

Indonesia es uno de los mayores productores de rayón del mundo, y el rayón de Asia Pacífico (APR) del país tiene una capacidad de producción anual de 0,24 millones de toneladas.

Productos hechos de viscosa

• Seda artificial
• Celofán
• Terciopelo sintético