El rayón , también llamado viscosa [1] y comercializado en algunos países como seda sabra o seda de cactus , [2] es una fibra semisintética , [3] hecha de fuentes naturales de celulosa regenerada , como madera y productos agrícolas relacionados. [4] Tiene la misma estructura molecular que la celulosa. Existen muchos tipos y grados de fibras y películas de viscosa. Algunas imitan la sensación y la textura de fibras naturales como la seda , la lana , el algodón y el lino . Los tipos que se parecen a la seda a menudo se denominan seda artificial . Puede tejerse o tricotarse para hacer textiles para ropa y otros fines. [5]
La producción de rayón implica la solubilización de celulosa para permitir que las fibras adquieran la forma deseada. Tres métodos de solubilización comunes son:
El científico e industrial francés Hilaire de Chardonnet (1838-1924) inventó la primera fibra textil artificial: la seda artificial . [11]
El químico suizo Matthias Eduard Schweizer (1818-1860) descubrió que la celulosa se disolvía en dihidróxido de tetraaminocobre . Max Fremery y Johann Urban desarrollaron un método para producir fibras de carbono para su uso en bombillas en 1897. [12] La producción de rayón cupramonio para textiles comenzó en 1899 en Vereinigte Glanzstoff Fabriken AG en Oberbruch (cerca de Aquisgrán ). [ cita requerida ] [13] Las mejoras realizadas por JP Bemberg AG en 1904 hicieron que la seda artificial fuera un producto comparable a la seda real. [14] [15]
El químico inglés Charles Frederick Cross y sus colaboradores, Edward John Bevan y Clayton Beadle, patentaron su seda artificial en 1894. La llamaron "viscosa" porque su producción implicaba la intermediación de una solución altamente viscosa. Cross y Bevan solicitaron la patente británica n.° 8.700, "Mejoras en la disolución de celulosa y compuestos afines", en mayo de 1892. [16] En 1893, formaron el Viscose Syndicate para conceder licencias y, en 1896, formaron la British Viscoid Co. Ltd. [11] [17]
El primer rayón de viscosa comercial fue producido por la empresa británica Courtaulds Fibres en noviembre de 1905. [18] Courtaulds formó una división estadounidense, American Viscose (más tarde conocida como Avtex Fibers), para producir su fórmula en los EE. UU. en 1910. [19] El nombre "rayón" se adoptó en 1924 [ cita requerida ] , y se utilizó "viscosa" para el líquido orgánico viscoso utilizado para fabricar tanto rayón como celofán . Sin embargo, en Europa, la tela en sí misma se conoció como "viscosa", que ha sido considerada un término alternativo aceptable para el rayón por la Comisión Federal de Comercio de los EE. UU. (FTC). [ cita requerida ]
El rayón se produjo únicamente como fibra de filamento hasta la década de 1930, cuando se desarrollaron métodos para utilizar "rayón de desecho roto" como fibra básica . [ cita requerida ]
La búsqueda de los fabricantes de un proceso menos perjudicial para el medio ambiente para fabricar rayón condujo al desarrollo del método lyocell para producir rayón. [20] El proceso lyocell fue desarrollado en 1972 por un equipo en la ahora desaparecida planta de fibras American Enka en Enka, Carolina del Norte . [ cita requerida ] En 2003, la Asociación Estadounidense de Químicos y Coloristas Textiles (AATCC) otorgó a Neal E. Franks su Premio Henry E. Millson a la Invención por lyocell. [21] En 1966-1968, DL Johnson de Eastman Kodak Inc. estudió soluciones NMMO. En la década de 1969 a 1979, American Enka intentó sin éxito comercializar el proceso. [20] El nombre operativo para 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 fue descrito por primera vez en una patente de 1981 por Mcorsley para Akzona Incorporated [20] [22] (la compañía matriz de Akzo). En la década de 1980, Akzo licenció la patente a Courtaulds y Lenzing. [23] La fibra fue desarrollada por Courtaulds Fibres 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 incrementó diez veces (a una tonelada/semana) en 1984. En 1988, se inauguró una línea de producción semicomercial de 25 toneladas/semana en la planta piloto de Grimsby, Reino Unido . [24] [ 20] El proceso se comercializó por primera vez en las fábricas de rayón de Courtaulds en Mobile, Alabama [25] (1990 [ cita requerida ] ), y en la planta de Grimsby (1998) [ cita requerida ] . En enero de 1993, la planta de Tencel de Mobile alcanzó niveles de producción completos de 20.000 toneladas por año, momento en el que Courtaulds había gastado 100 millones de libras y 10 años en el desarrollo de Tencel. Se estimó que los ingresos de Tencel para 1993 probablemente serían de 50 millones de libras. Se planeó una segunda planta en Mobile. [25] Para 2004, la producción se había cuadriplicado a 80.000 toneladas. [23]
Lenzing comenzó una planta piloto en 1990, [20] y la producción comercial en 1997, con 12 toneladas métricas/año fabricadas en una planta en Heiligenkreuz im Lafnitztal , Austria. [20] [23] Cuando una explosión golpeó la planta en 2003, estaba produciendo 20.000 toneladas/año y planeaba duplicar la capacidad para finales de año. [26] En 2004, Lenzing estaba produciendo 40.000 toneladas [sic, probablemente toneladas métricas]. [23] En 1998, Lenzing y Courtaulds llegaron a un acuerdo de disputa de patentes. [23]
En 1998, Courtaulds fue adquirida por su competidor Akzo Nobel [ 27] , 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. [23] Se hizo cargo de las plantas de Mobile y Grimsby y, en 2015, era el mayor productor de lyocell con 130 000 toneladas al año. [20]
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El rayón se produce disolviendo 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 cupramonio , el método viscosa y el proceso lyocell. Los dos primeros métodos se han practicado durante más de un siglo.
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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 . [28] El proceso ha sido descrito como obsoleto, [6] pero el rayón cupramonio todavía lo fabrica una empresa en Japón. [29] [ se necesita una mejor fuente ]
El sulfato de tetraaminocobre (II) también se utiliza como disolvente.
El proceso de la viscosa se basa 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 . El xantato se convierte luego nuevamente en una fibra de celulosa en un paso posterior.
El método de la viscosa puede utilizar madera como fuente de celulosa, mientras que otras rutas para obtener rayón requieren celulosa sin lignina como materia prima. El uso de fuentes leñosas de celulosa hace que la viscosa sea más barata, por lo que tradicionalmente se utilizaba en mayor escala que los otros métodos. Por otro lado, el proceso original de la viscosa genera grandes cantidades de aguas residuales contaminadas. Las tecnologías más nuevas utilizan menos agua y han mejorado la calidad de las aguas residuales.
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 hace pasar a través de una hilera para producir filamentos, que se solidifican químicamente, dando como resultado fibras de celulosa casi pura. [30] A menos que los productos químicos se manipulen con cuidado, los trabajadores pueden sufrir daños graves por el disulfuro de carbono que se utiliza para fabricar la mayoría del rayón. [31] [32]
Para preparar la viscosa, la pulpa se trata con hidróxido de sodio acuoso (normalmente entre el 16 y el 19 % en masa ) para formar " celulosa alcalina ", que tiene la fórmula aproximada [C 6 H 9 O 4 −ONa] n . Se permite que este material se despolimerice hasta cierto punto. La velocidad de despolimerización (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 al proceso de maduración, ya que el oxígeno provoca la despolimerización. A continuación, la celulosa alcalina se trata con disulfuro de carbono para formar xantato de celulosa sódica : [5]
La fibra de rayón se produce a partir de soluciones maduras mediante el tratamiento con un ácido mineral, como el ácido sulfúrico . En este paso, los grupos xantato se hidrolizan para regenerar la celulosa y el disulfuro de carbono:
Además de la celulosa regenerada, la acidificación produce sulfuro de hidrógeno (H2S ) , azufre y disulfuro de carbono. El hilo elaborado a partir de la celulosa regenerada se lava para eliminar el ácido residual. Luego, el azufre se elimina mediante la adición de una solución de sulfuro de sodio y las impurezas se oxidan mediante blanqueo con una solución de hipoclorito de sodio o una solución de peróxido de hidrógeno . [17]
La producción comienza con celulosa procesada obtenida a partir de pulpa de madera y fibras vegetales. El contenido de celulosa en la pulpa debe ser de alrededor del 87-97%.
Los pasos: [30]
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El proceso de lyocell se basa en la disolución de productos de celulosa en un disolvente, N-óxido de N-metilmorfolina (NMMO).
El proceso comienza con celulosa e implica hilado en seco y húmedo. Fue desarrollado en la ahora extinta American Enka Company y en Courtaulds Fibres. El Tencel de Lenzing es un ejemplo de fibra de lyocell. [14] A diferencia del proceso de viscosa, el proceso de lycocell no utiliza sulfuro de carbono altamente tóxico. [9] [10] "Lyocell" se ha convertido en una marca comercial genérica, utilizada para referirse al proceso de lyocell para fabricar fibras de celulosa. [10]
A partir de 2018 [actualizar], el proceso de lyocell no se usa ampliamente, porque sigue siendo más caro que el proceso de viscosa. [10] [9]
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 la resbaladizabilidad de los textiles de rayón a menudo se parecen más al nailon . Puede imitar la sensación y la textura de la seda , la lana , el algodón y el lino . Las fibras se tiñen fácilmente en una amplia gama de colores. Los tejidos de rayón son suaves, lisos, frescos, cómodos y muy absorbentes, pero no siempre aíslan el calor corporal, lo que los hace ideales para su uso en climas cálidos y húmedos, aunque también hacen que su "mano" (sensación) sea fresca y, a veces, casi viscosa al tacto. [33]
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 presenta una mayor durabilidad y retención de la apariencia. El cuidado recomendado para el rayón de viscosa regular es solo la limpieza en seco. El rayón HWM se puede lavar a máquina. [34]
El rayón común tiene líneas longitudinales llamadas estrías y su sección transversal tiene una forma circular dentada. Las secciones transversales del rayón HWM y del rayón cupra son más redondeadas. Los hilos de rayón de filamentos varían de 80 a 980 filamentos por hilo y su tamaño varía de 40 a 5000 deniers . Las fibras cortas varían de 1,5 a 15 deniers y se rizan mecánica o químicamente. Las fibras de rayón son naturalmente muy brillantes, pero la adición de pigmentos deslustrantes reduce este brillo natural. [34]
Las propiedades físicas del rayón se mantuvieron inalteradas hasta el desarrollo del rayón de alta tenacidad en la década de 1940. Investigaciones y desarrollos posteriores condujeron al rayón de alto módulo húmedo (rayón HWM) en la década de 1950. [34] La investigación en el Reino Unido se centró en la Asociación Británica de Investigación del 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 rayón de alta tenacidad. Este tipo de rayón se utiliza normalmente para fines industriales, como por ejemplo para la fabricación de cordones para neumáticos. [28]
Las aplicaciones industriales del rayón surgieron alrededor de 1935. Al sustituir la fibra de algodón en neumáticos y cinturones, los tipos industriales de rayón desarrollaron un conjunto totalmente diferente de propiedades, entre las que eran primordiales la resistencia a la tracción y el módulo elástico.
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: "polinósicos" y "alto módulo húmedo" (HWM). [35] [36] [ se necesita una mejor fuente ] El rayón de alto módulo húmedo es una versión modificada de la viscosa que es más fuerte cuando está mojada. Puede mercerizarse como el algodón. Los rayones HWM también se conocen como "polinósicos". [ contradictorio ] Las fibras polinósicas son dimensionalmente estables y no se encogen ni se deforman cuando están mojadas como muchos rayones. También son resistentes al desgaste y fuertes al mismo tiempo que mantienen una sensación suave y sedosa. A veces se identifican con el nombre comercial Modal. [28] El modal se usa solo o con otras fibras (a menudo algodón o spandex ) en ropa y artículos para el hogar como pijamas, ropa interior, batas de baño, toallas y sábanas. El modal se puede secar en secadora sin sufrir daños. [37] Se sabe que la tela forma menos bolitas que el algodón debido a las propiedades de la fibra y a una menor fricción superficial. [36] El modal, cuya marca registrada se fabrica hilando celulosa de haya, se considera una alternativa más ecológica al algodón, ya que el proceso de producción utiliza en promedio entre 10 y 20 veces menos agua. [38]
En 2018, la producción mundial de fibra de viscosa fue de aproximadamente 5,8 millones de toneladas, y China fue el mayor productor con alrededor del 65% de la producción mundial total. [39] Los nombres comerciales se utilizan dentro de la industria del rayón para etiquetar el tipo de rayón en el producto. El rayón de viscosa fue producido por primera vez en Coventry, Inglaterra en 1905 por Courtaulds.
Bemberg es un nombre comercial para el rayón de cupramonio desarrollado por JP Bemberg . Bemberg funciona de manera muy similar a la viscosa, pero tiene un diámetro más pequeño y se parece más a la seda en cuanto a tacto. Bemberg ahora solo se produce en Japón. [29] Las fibras son más finas que las del rayón de viscosa. [15] [ verificación fallida ]
El modal y el tencel son formas de rayón ampliamente utilizadas producidas por Lenzing AG . El tencel, cuyo nombre genérico es lyocell , se fabrica mediante un proceso de recuperación de solvente ligeramente diferente y la Comisión Federal de Comercio de Estados Unidos (FTC) lo considera una fibra diferente. El tencel lyocell fue producido comercialmente por primera vez en la planta de Courtaulds en Grimsby, Inglaterra. El proceso, que disuelve la celulosa sin una reacción química, fue desarrollado por Courtaulds Research.
Birla Cellulose también es un fabricante de rayón en grandes cantidades. Tiene plantas ubicadas en India , Indonesia y China .
Accordis era un importante fabricante de fibras e hilos a base de celulosa. Se pueden encontrar plantas de producción en toda Europa, Estados Unidos y Brasil . [40]
El rayón Visil y HOPE FR son formas retardantes de llama de viscosa que tienen sílice incrustada en la fibra durante la fabricación.
La North American Rayon Corporation de Tennessee produjo rayón viscosa hasta su cierre en el año 2000. [41] [42]
Indonesia es uno de los mayores productores de rayón del mundo, y el Asia Pacific Rayon (APR) del país tiene una capacidad de producción anual de 0,24 millones de toneladas. [43]
Investigadores coreanos evaluaron la biodegradabilidad de varias fibras en el enterramiento en el suelo y en los lodos de depuradora. 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. [44] Los pececillos de plata , como el insecto de fuego , pueden comer rayón, pero se descubrió que el daño era menor, posiblemente debido a la textura pesada y resbaladiza del rayón probado. [ 45] Otro estudio afirma que "la seda artificial [...] [fue] fácilmente devorada" por los pececillos de plata grises . [46]
Un estudio oceánico de 2014 encontró que el rayón contribuía al 56,9% del total de fibras encontradas en áreas oceánicas profundas , siendo el resto poliéster , poliamidas , acetato y acrílico . [47] Un estudio de 2016 encontró una discrepancia en la capacidad de identificar fibras naturales en un entorno marino a través de la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier . [48] Una investigación posterior de microfibras oceánicas encontró que el algodón era la combinación más frecuente (50% de todas las fibras), seguido de otras fibras celulósicas con un 29,5% (por ejemplo, rayón/viscosa, lino, yute, kenaf, cáñamo, etc.). [49] 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 utilizando espectros FTIR.
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 se unieron a CanopyPlanet para centrarse en estas cuestiones. 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 puntúa a todos estos fabricantes en una escala de 35; las puntuaciones más altas las obtuvieron Birla Cellulose (33) y Lenzing (30,5).
El disulfuro de carbono es altamente tóxico . [50] Está bien documentado que ha dañado gravemente la salud de los trabajadores de rayón en los países desarrollados, y las emisiones también pueden dañar la salud de las personas que viven cerca de las plantas de rayón [50] y su ganado. [51] Se desconocen las tasas de discapacidad en las fábricas modernas (principalmente en China, Indonesia e India). [32] [7] Esto ha generado preocupaciones éticas sobre la producción de rayón de viscosa. [8] [7] [9] [31] A partir de 2016 [actualizar], las instalaciones de producción ubicadas en países en desarrollo generalmente no proporcionan datos ambientales o de seguridad de los trabajadores. [52]
La mayor parte de las emisiones globales de disulfuro de carbono provienen de la producción de rayón, a partir de 2008. [53] A partir de 2004 [actualizar], se emiten aproximadamente 250 g de disulfuro de carbono por kilogramo de rayón producido. [54]
Las tecnologías de control han permitido una mejor recolección y reutilización del disulfuro de carbono, lo que ha dado como resultado menores emisiones de disulfuro de carbono. [5] Estas tecnologías no siempre se han implementado en lugares donde no era un requisito legal y no era rentable. [51]
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 . [31]
Estudios de la década de 1930 muestran que el 30% de los trabajadores estadounidenses que trabajaban con rayón sufrieron importantes consecuencias para la salud debido a la exposición al disulfuro de carbono . Courtaulds trabajó arduamente para evitar que esta información se publicara en Gran Bretaña. [8]
Durante la Segunda Guerra Mundial , los prisioneros políticos en la Alemania nazi fueron obligados a trabajar en condiciones atroces en la fábrica de rayón Phrix en Krefeld . [55] Los nazis utilizaron trabajo forzado para producir rayón en toda la Europa ocupada. [8]
En la década de 1990, los productores de rayón de viscosa se enfrentaron a demandas por negligencia en la contaminación ambiental . Las tecnologías de reducción de emisiones se habían utilizado sistemáticamente. Por ejemplo, la recuperación de lechos de carbón, que reduce las emisiones en un 90% aproximadamente, fue utilizada en Europa, pero no en los EE. UU., por Courtaulds. [51] El control de la contaminación y la seguridad de los trabajadores comenzaron a convertirse en factores limitantes de costos en la producción.
Japón ha reducido las emisiones de disulfuro de carbono por kilogramo de rayón de viscosa producido (en un 16% al año aproximadamente), pero en otros países productores de rayón, incluida China, las emisiones no están controladas. La producción de rayón se mantiene estable o disminuye, excepto en China, donde está aumentando, a partir de 2004. [actualizar][ 54]
La producción de rayón se ha trasladado en gran medida al mundo en desarrollo, especialmente a China, Indonesia e India. [7] [8] Las tasas de discapacidad en estas fábricas son desconocidas, a partir de 2016 [actualizar], [32] [7] y las preocupaciones por la seguridad de los trabajadores continúan. [52]
Los estudios han demostrado que la producción de rayón puede ser perjudicial para la salud de los trabajadores de las fábricas. [56] [57] Los trabajadores de las fábricas que utilizan el proceso de viscosa pueden estar expuestos a altos niveles de disulfuro de carbono, que puede causar enfermedades coronarias, daño a la retina, cambios de comportamiento, deterioro de la función motora y diversos efectos hormonales y sobre la fertilidad. [58]
Los materiales relacionados no son celulosa regenerada, sino ésteres de celulosa. [59] [60]
La nitrocelulosa es un derivado de la celulosa soluble en disolventes orgánicos. Se utiliza principalmente como explosivo o como laca . Muchos de los primeros plásticos, incluido el celuloide , se fabricaban a partir de nitrocelulosa.
El acetato de celulosa comparte muchas características con el rayón de viscosa y antes se consideraba el mismo tejido. 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 . [61] [62] Ahora se exige que ambos tejidos figuren de forma distinta en las etiquetas de las prendas de vestir de EE. UU. [63]
El celofán generalmente se elabora mediante el proceso de viscosa, pero se seca en láminas en lugar de fibras.
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