En 1865, el químico francés Paul Schützenberger descubrió que la celulosa reacciona con el 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. [3]
En 1904, Camille Dreyfus y su hermano menor Henri realizaron 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 los tintes . Durante cinco años, los hermanos Dreyfus estudiaron y experimentaron de manera sistemática en Suiza y Francia. En 1910, estaban produciendo películas para la industria cinematográfica , y una pequeña pero en constante crecimiento cantidad de laca de acetato, llamada " dope ", se vendía a la creciente industria aeronáutica para recubrir la tela que cubría las alas y el fuselaje . [4]
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. [4] Desafortunadamente, el estallido de la Primera Guerra Mundial pospuso el desarrollo comercial de este proceso.
En noviembre de 1914, el gobierno británico invitó al Dr. Camille Dreyfus a venir a Inglaterra para fabricar acetato de dope, y se creó la "British Cellulose and Chemical Manufacturing Co". En 1917, después de que Estados Unidos entrara en la guerra, el Departamento de Guerra de Estados Unidos invitó al Dr. Dreyfus a establecer una fábrica similar en Estados Unidos. Ambas operaciones se llevaron a cabo con éxito durante toda la guerra.
Después de la guerra, la atención volvió a centrarse en la producción de fibras de acetato. El primer hilo era de una calidad aceptable, pero la resistencia a las ventas fue 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 fibra excelente para el muaré porque el patrón era permanente y no se desvanecía con el lavado. 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 de la confección. [4]
La mezcla de seda y acetato en los tejidos se realizó al principio, y casi inmediatamente se mezcló también el algodón, haciendo posible así la fabricación de 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 los tejidos una excelente recuperación de las arrugas, buen peso, tacto, calidad de drapeado, secado rápido, estabilidad dimensional adecuada, potencial de patrón de teñido cruzado, a un precio muy competitivo. [4]
Propiedades químicas y físicas
La densidad del acetato de celulosa está entre 1,26 - 1,31 g/cc [5]
Utilizar como fibra
La fibra de acetato de celulosa, una de las primeras fibras sintéticas, se basa en celulosa de pulpa de algodón o de árboles (" biopolímeros "). Estas "fibras celulósicas" han sido reemplazadas en muchas aplicaciones por fibras más económicas derivadas del petróleo ( nailon y poliéster ) en las últimas décadas. [6]
Los nombres comerciales del acetato incluyen Acele, Avisco, Celanese, Chromspun y Estron. [7]
El acetato comparte muchas similitudes con el rayón y antiguamente se consideraba el mismo tejido. El acetato se diferencia del rayón en el uso de ácido acético en su producción. Ahora se exige que ambos tejidos figuren de forma distinta en las etiquetas de las prendas. [8]
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. [9] [10]
La naturaleza transpirable de la tela la hace ideal para usarla como forro. La tela de acetato se usa con frecuencia en vestidos de novia y otros atuendos nupciales. [11] Su brillo lustroso y su textura suave y satinada la convierten en una buena alternativa a la seda. [9]
Propiedades
El acetato es una fibra manufacturada de bajo costo que tiene buenas cualidades de drapeado [ se necesita atribución ] . El acetato se utiliza en telas como satenes , brocados , tejidos de punto y tafetanes para acentuar el brillo, el cuerpo, el drapeado y la belleza.
Mano: suave, tersa, seca, crujiente, resistente.
Comodidad: transpirable, absorbe la humedad, se seca rápidamente, sin electricidad estática.
Drapeado: los forros se mueven con el cuerpo y se adaptan 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: resistente a las manchas de transpiración, resistente a la limpieza en seco, permeable al aire y al vapor.
Tenacidad: fibra débil con una tenacidad de rotura de 1,2 a 1,4 g/d; pierde resistencia rápidamente cuando está mojada
Abrasión: poca resistencia
Retención de calor: mala retención térmica; sin potencial alergénico (hipoalergénico)
Teñibilidad: (dos métodos) método de teñido cruzado donde los hilos de una fibra y los de otra fibra se tejen en una tela con 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 [2] [12]
Absorción selectiva y eliminación de niveles bajos de ciertas sustancias químicas orgánicas.
Se adhiere fácilmente con plastificantes , calor y presión.
El acetato es soluble en muchos disolventes comunes (especialmente acetona y otros disolventes orgánicos) y se puede modificar para que sea soluble en disolventes alternativos, incluido el agua.
Hidrófilo : el acetato se humedece fácilmente, con buen transporte de líquidos y excelente absorción; en aplicaciones textiles, proporciona comodidad y capacidad de absorción, pero también pierde resistencia cuando está mojado.
Se puede teñir , sin embargo se requieren tintes y pigmentos especiales ya que el acetato no acepta los tintes que se usan comúnmente para el algodón y el rayón (esto también permite el teñido cruzado).
Generalmente se puede lavar o limpiar en seco ; generalmente no se encoge.
Confusión contriacetato de celulosa
El diacetato de celulosa y el triacetato de celulosa se consideran 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 ningún 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. [2]
Productos de alta absorción: pañales y productos de ayuda médica.
Los ladrillos Lego originales se fabricaron con acetato de celulosa entre 1949 y 1963.
Cinta de premio: Las rosetas para eventos ecuestres, exposiciones de perros y gatos, premios corporativos y productos publicitarios y de identificación utilizan cinta de acetato de celulosa.
Las cartas de juego pueden estar hechas de acetato de celulosa.
La definición de fibra de acetato de la Comisión Federal de Comercio es: "Una fibra fabricada en la que la sustancia formadora de la fibra es acetato de celulosa. Cuando no menos del 92 por ciento de los grupos hidroxilo están acetilados, se puede utilizar el término triacetato como descripción genérica de la fibra".
El acetato se obtiene de la celulosa mediante la deconstrucción inicial de la pulpa de madera en una celulosa blanca esponjosa purificada. Para fabricar un buen producto, se utilizan calidades especiales de pulpas, como pulpas solubles. 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 una cantidad 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. Este diacetato de celulosa se conoce como acetato secundario o simplemente como "acetato".
Una vez formado, el acetato de celulosa se disuelve en acetona , formando una solución viscosa para la extrusión a través de hileras (que se parecen a un cabezal de ducha). A medida que emergen los filamentos, el solvente se evapora en aire caliente mediante hilado en seco, produciendo fibras finas de acetato de celulosa.
La primera fibra de acetato comercial estadounidense fue producida por Celanese Corporation en 1924. Los productores actuales de fibra de acetato en Estados Unidos 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 únicamente una mezcla de celulosa no acetilada y completamente acetilada, se aplica una síntesis de dos pasos: la celulosa siempre se convierte primero completamente en triacetato de celulosa y luego, mediante hidrólisis, en acetatos de celulosa con bajos grados de esterificación.
La celulosa purificada de pulpa de madera o de borra de algodón se mezcla con ácido acético glacial, anhídrido acético y un catalizador. La mezcla se deja reposar durante 20 horas, durante las cuales se produce una hidrólisis parcial y la resina ácida precipita en forma de copos. Estos se disuelven en acetona y la solución se purifica mediante filtración. La solución se extruye mediante hilado en una columna de aire caliente. Se recupera el disolvente. Los filamentos se estiran y se enrollan en vigas, conos o bobinas listos para su uso. Finalmente, los filamentos se hilan para formar fibras.
La producción se divide en las siguientes etapas del proceso: [13] [14] [15]
Acondicionamiento mecánico de la pulpa : La pulpa, que habitualmente se presenta en forma de rollos o de hojas, se fibrila mediante diferentes tipos de trituradores, como molinos de martillos y refinadores de discos, con lo que la disposición sucesiva de ambos tipos de trituradores 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 continua del ácido acético en los 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 de proceso posteriores, como el prensado o la centrifugación, aumentan constantemente la concentración de celulosa en la pulpa. Al mismo tiempo, se agrega ácido acético en concentraciones cada vez mayores. La ventaja de este proceso es el ahorro de trituración, ya que las capas de celulosa se pueden agregar directamente al tanque de agitación.
Acetilación de la celulosa : En la producción industrial de acetatos de celulosa, se suele utilizar el proceso del ácido acético o el proceso del cloruro de metileno para la acetilación. En los procesos del ácido acético, la masa de celulosa pretratada se hace reaccionar en una mezcla de acetilación del disolvente ácido acético con un exceso de anhídrido acético, que sirve como agente de esterificación, y con ácido sulfúrico como catalizador bajo agitación 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 finaliza añadiendo agua cuando se ha formado una mezcla de reacción transparente y altamente viscosa a partir de la pulpa fibrosa. Esta solución debe estar libre de gel y tener la viscosidad deseada. En el proceso del 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, se logra controlar el proceso incluso con soluciones altamente viscosas. Incluso a bajas temperaturas puede disolver muy bien el triacetato de celulosa. Como catalizador se puede utilizar una pequeña cantidad de ácido sulfúrico, pero a menudo también se utiliza ácido perclórico. Sin embargo, normalmente también se forma ácido acético como subproducto de la reacción, de modo que el disolvente es en última instancia una mezcla de cloruro de metileno, anhídrido acético y ácido acético. Un proceso heterogéneo muy poco frecuente es el proceso de acetato de fibra, que sólo se utiliza para la producción de triacetato de celulosa como producto final. En este proceso, la celulosa se suspende en un no disolvente (como el benceno ) y se esterifica con anhídrido acético en presencia de ácido perclórico como catalizador.
Hidrólisis parcial : Los tipos de acetato de celulosa secundarios deseados se obtienen a partir del triacetato de celulosa por hidrólisis. Para ello, la solución de triacetato se calienta normalmente a 60 a 80 °C en presencia de un catalizador ácido (normalmente ácido sulfúrico) añadiendo agua mientras se agita y calienta. La hidrólisis se controla mediante la concentración del ácido sulfúrico, la cantidad de agua y la temperatura de tal forma que se consiga la degradación molecular deseada ( escisión de la cadena ). A continuación, el proceso de hidrólisis se detiene añadiendo sales básicas (p. ej. 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 con ácido acético diluido, es importante obtener copos de acetato de celulosa uniformes y fácilmente lavables. Antes de la precipitación, se debe eliminar por destilación completamente el cloruro de metileno presente. A continuación, se recupera el ácido acético.
Lavado y secado : Mediante un lavado intensivo, que se realiza normalmente a contracorriente, se debe eliminar el ácido acético de las escamas hasta las trazas más pequeñas, ya que de lo contrario se producirían daños (" carbonización ") durante el proceso de secado. Después de que se haya extraído el líquido de lavado, las escamas se secan en un secador de cinta transportadora a través del cual fluye aire caliente hasta un contenido de humedad residual de aproximadamente 2-5%. Para la posterior producción de masas de moldeo termoplásticas de muy alta calidad, térmicamente estables, de colores brillantes y estables en el color, 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.
Mezcla de las escamas : Los pasos finales son similares al procesamiento de otros plásticos: antes de que las escamas de acetato de celulosa se transporten a un contenedor de recolección desde donde se transportan a las plantas de procesamiento adecuadas, las escamas se mezclan de una manera controlada y precisa. Esto es para compensar las desviaciones de los acetatos de celulosa de diferentes lotes de producción. Para muchos pasos de procesamiento posteriores, las escamas generalmente se muelen previamente hasta obtener polvos finos. 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 estabilización térmica, de intemperie, UV e IR. [16] Las mezclas se pueden adaptar a los requisitos correspondientes del 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 fue de más de 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 ha demostrado que después de la desacetilación parcial inicial, la cadena principal de celulosa del polímero se biodegrada fácilmente por las enzimas celulasas . En suelos biológicamente muy activos , las fibras de CA se destruyen completamente después de 4 a 9 meses. La fotodegradación es óptima con irradiación UV de longitud de onda de 280 nm o más corta y mejorada con pigmento de TiO2 . [17] Los filtros de cigarrillos de CA tardan años en descomponerse al aire libre. [18] [19]
Nombres comerciales
El acetato de celulosa se comercializa bajo varios nombres comerciales, como Tenite ( Eastman Chemical Company ), zyl y zylonite, [2] Cellon ( Deutsche Celluloid Fabrik en Eilenburg, Alemania), [20] y Rhodoid ( Soc. des Usines Chim. Rhone-Poulenc en París, Francia; May & Baker Ltd. en Londres, Reino Unido). [20] La película fundida de acetato de celulosa fabricada por Celanese (Derbyshire, Reino Unido) se vende como Clarifoil. [21] [ cita requerida ]
Otros ésteres de celulosa
El acetato butirato de celulosa ( CAB , Tenite II ) y el acetato propionato 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.
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Enlaces externos
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Historia y propiedades
Datos de propiedades del material: acetato de celulosa (CA)
