Las fibras de celulosa ( / ˈ s ɛ lj ʊ l oʊ s , - l oʊ z / ) [1] son fibras elaboradas con éteres o ésteres de celulosa, que pueden obtenerse de la corteza, madera u hojas de plantas, o de otras plantas. -material a base de. Además de celulosa, las fibras también pueden contener hemicelulosa y lignina , alterando diferentes porcentajes de estos componentes 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, [2] debido a sus propiedades similares a las fibras de ingeniería, siendo otra opción para biocompuestos y compuestos poliméricos.
La celulosa fue descubierta en 1838 por el químico francés Anselme Payen , quien la aisló de la materia vegetal y determinó su fórmula química. [3] 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 en forma de película. Los primeros usos textiles comerciales del 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.
La celulosa es un polímero formado por moléculas de glucosa repetidas unidas de un extremo a otro. [4] Una molécula de celulosa puede tener desde varios cientos hasta más de 10.000 unidades de glucosa de largo. La celulosa tiene una forma similar a los carbohidratos complejos como el almidón y el glucógeno . Estos polisacáridos también están formados por 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 tiene forma de varilla. Esto se diferencia 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 mediante ninguna enzima producida por los animales.
Las fibras de celulosa natural todavía son reconocibles como parte de la planta original porque solo se procesan lo necesario para limpiar las fibras para su uso. [ cita necesaria ] Por ejemplo, las fibras de algodón se parecen a las suaves y esponjosas bolas de algodón de las que provienen. Las fibras de lino se parecen a las fuertes hebras fibrosas de la planta de 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, normalmente mediante recolección , separación de la paja , fregado , etc. La presencia de cadenas lineales de miles de unidades de glucosa unidos entre sí permiten una gran cantidad de enlaces de hidrógeno entre grupos OH en cadenas adyacentes, lo que hace que se empaqueten estrechamente en fibras de celulosa. Como resultado, la celulosa muestra poca interacción con el agua o cualquier otro disolvente. El algodón y la madera, por ejemplo, son completamente insolubles en agua y tienen una resistencia mecánica considerable. Dado que la celulosa no tiene una estructura helicoidal como la amilosa, no se une al yodo para formar un producto coloreado.
Las fibras de celulosa fabricadas provienen de plantas que se procesan hasta obtener pulpa y luego se extruyen de la misma manera que se fabrican fibras sintéticas como el poliéster o el nailon . El rayón o viscosa es una de las fibras de celulosa "manufacturadas" más comunes y se puede fabricar a partir de pulpa de madera.
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 enlaces de hidrógeno entre las cadenas largas, tienen la rigidez y resistencia necesarias.
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 de fibra, sin embargo, generalmente 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 y la degradación bio y 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; [5] estos varían dependiendo de si la fibra es una fibra de líber (obtenida de la corteza), una fibra central (obtenida de la madera) o una fibra de hoja (obtenida de las hojas).
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 utilizadas comúnmente, como la fibra de vidrio , la fibra de aramida y la fibra de carbono .
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 flujo para evaluar el potencial zeta de la superficie . [6] 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. [7] Incluso para el uso de fibras de desecho como refuerzo en materiales compuestos, las fibras aprestadas se han probado con una solución de prueba acuosa. [8] En el Handbook of Natural Fibers se encuentra una revisión de las propiedades electrocinéticas de las fibras naturales, incluidas la celulosa y las fibras lignocelulósicas. [9]
Los materiales compuestos son una clase de material que se fabrica 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 fibras, como biocompuestos y plásticos reforzados con fibras . La tabla muestra diferentes matrices poliméricas y las fibras de celulosa con las que a menudo se mezclan. [10]
Dado que las características macroscópicas de las fibras influyen en el comportamiento del compuesto resultante, las siguientes propiedades físicas y mecánicas son de particular interés:
En la industria textil la celulosa regenerada se utiliza como fibras como el rayón (incluido el modal y el más recientemente desarrollado Lyocell ). Las fibras de celulosa se fabrican a partir de pulpa que se disuelve . [11] 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 rayón en 1924. En 1865 se descubrió un producto similar conocido como acetato de celulosa . El rayón y el acetato son fibras artificiales, pero no completamente sintéticas , siendo 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 con éxito comenzó mucho más tarde.
Las aplicaciones de infiltración/ayuda de filtración de fibras de celulosa pueden proporcionar una capa protectora para los elementos filtrantes como la celulosa en polvo, además de promover un mejor rendimiento y claridad. [ cita necesaria ] Como filtración sin cenizas y no abrasiva, realice la limpieza sin esfuerzo después del proceso de filtración sin dañar las bombas o válvulas. Filtran eficazmente 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 previa primaria o correctiva de las siguientes maneras:
En comparación con las fibras sintéticas, las fibras de celulosa tienen ventajas importantes como baja densidad, bajo costo, pueden ser reciclables y biodegradables. [12] Debido a sus ventajas, las fibras de celulosa se pueden utilizar como sustituyentes de las fibras de vidrio en materiales compuestos.
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 como fibras. [11] 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 más lento y limpiar los hábitats forestales existentes para plantaciones madereras.
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