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INTRODUCCION

Es posible afirmar, sin darle cabida a las especulaciones literarias, quela Industria Textil ha ocupado, ocupa y ocupará lugar preponderanteen el desarrollo universal de la industrialización. Merced a ella se hanencontrado nuevos conocimientos, nuevas tecnologías, y el universo se-guirá en constante transformación formando el futuro semblante de laTierra y de la humanidad.

Si hacemos una ojeada retrospectiva para examinar lo que ha significadola Industria Textil y su impacto en la aplicación, vemos que durantemiles de años las fibras naturales determinaron nuestras vestimentas ynuestra forma de vivir, y entre ellas las más representativas fueron laseda, el lino y la lana, quienes dominaron hasta el siglo XVIII.

Posteriormente, y a consecuencia de los adelantos técnicos desarrolla-dos, el algodón desalojó a las fibras antes mencionadas y ocupó posicio-nes de gran significación.

Finalmente sobrevinieron las fibras artificiales, llamadas también fibrasfabricadas por el hombre, al terminar el siglo pasado, y a partir de esemomento se inicia una nueva era para la industria textil. Si bien es ciertoque las dos guerras mundiales interrumpieron este desarrollo, no esmenos cierto que ellas contribuyeron en alto grado y en forma decisivaa su expansión, pues algunas fibras, como el Nylon, se utilizó íntegra-mente su producción para fines bélicos y además, muchos de los técni-cos que se hallaban concentrados en diferentes centros de investigación,tuvieron que dispersarse a otros lugares. En esta forma vemos que la

nueva etapa de la industria textil, con el advenimiento de las fibrasartificiales tiene su verdadera época de despegue desde hace aproximada-mente unos 50 años.

Actualmente, existen fibras para todas las necesidades, y por todos losrincones del mundo se están produciendo fibras artificiales. Es impre-sionante examinar la literatura que existe sobre su tecnología, y es igual-mente impresionante la multitud de técnicos y científicos que trabajanafanosamente buscando nuevas formas, nuevos procedimientos, nuevasalternativas, y nuevas fibras para ser utilizadas por el hombre.Así, sin lugar a dudas, esta industria de relieve seguirá adelante al mismoritmo en que prosiga el desarrollo de la humanidad, y es de esperarseque en el futuro se abran otros horizontes y se vislumbren más cono-cimientos y progresos para dar a luz nuevas y mejores fibras.

CAPITULO I1.1. Historia de las Fibras Sintéticas

1.2. Usos y Clasificación de las Fibras

1.3. Sistema para Numerar las Fibras

1.4. Denier por Filamento

1.5. Propiedades de las Fibras

1.5.1. Regain.

1.5.2. Densidad de las Fibras

1.5.3. Recuperación Elástica.

1.5.4. Elasticidad de Longitud.

1.5.5. Resistencia de las Fibras.

1.5.6. Examen microscópico.

1.5.7. Uniformidad de las Fibras.

1.1. HISTORIA DE LAS FIBRAS SINTETICAS

Antes de abordar el estudio de las Fibras Sintéticas en particular, resulta importantey de interés echar una mirada atrás para estudiar y considerar los resultados de las investigacionesen éste campo, efectuados durante los últimos 300 años. La relación cronológica de éstedesarrollo es corno sigue:1664 Robert Hooke (Inglaterra) describe los primeros ensayos para producir hilos por

medios mecánicos.1846 El alemán Schunbein produce la Nitrocelulosa en Basilea (Suiza), 2 años más tarde

el Colodión, materia prima para la manufactura de las Fibras Sintéticas.1855 Estos trabajos fueron desarrollados provechosamente por el suizo Audemars en

Lausanna y en1862 Por el francés Ozanam y por el inglés Swan (1883) quien exhibió en Londres géneros

que habían sido tejidos con fibras preparadas extruyendo Colodión a través de orificiosfinos.

1865 El alemán Schützenberger manufactura por primera vez Acetato de Celulosa quesirvió más tarde como materia prima de la Seda al Acetato.

1884 El francés Chardonnet, llamado por otros el Conde de Chardonnet, reconocido comoel padre de la seda artificial, produce los primeros hilos de seda artificial a partir dela Nitrocelulosa, recibiendo un total de 47 patentes sobre la seda artificial. •

1891 Se funda en Besancon (Francia) la primera fábrica de seda artificial en el mundo,con una producción diaria de 110 kilos.

1892 Los ingleses Cross, Bevan y Beadle encuentran la viscosa disolviendo celulosa. Elinglés Courtaulds adquiere la correspondiente patente.

1897 Fremery y Urban en Alemania anuncian su primera patente para producir fibras porel procedimiento cuproamonical.

3

1898 Steam y Topham logran. sin embargo, por primera vez producir fibras partiendo dela masa de la viscosa disuelta

1902 El alemán Donnersmarck experimenta para desarrollar la técnica de la hilatura de laseda artificial al Acetato.

1904 La fabrica de colorantes BAYER solicita patentes para la producción industrial deseda artificial al Acetato.

1913 El alemán Dr. F. Klatte solicita la patente para proteger la primera fibra sintética(a base de cloruro de polivinilo): pero solo en 1931 se manufacturan industrialmentefibras de este tipo.

1920 La Tubize Chatillon Corp. comenzo la fabricacion de Rayon de Nitrocelulosa en losEstados Unidos. Esta fabrica cerro sus puertas en 1934 dado que los hilos de viscosa,de cuproamonio y de acetato resultaron ser superiores al de nitrocelulosa.

1921 Comienza la producción de fibrana de viscosa en una fabrica de municiones paradacon una produccion anual de 100.000 Toneladas.

En este mismo ano la Dupont comenzó ,su producción industrial de Rayón en suplanta de Buffalo, N.Y.

1927 El profesor H. Staudinger logra producir en el laboratorio la primera fibra completamente sintetica a base de polioximetilenos del formaldehído Si bien esto no tuvoningún significado práctico. señalo nuevos caminos en la investigación de las fibras.

1930 Se comienza a producir el dificil Triacetato.

1931 La Owens--Illinois Glass Co. y la Corning Glass Works desarrollaron un procedimientopara extruir vidrio fundido a traves de finos orificios. Posteriormente en 1938 estasdos firmas se fusionaron y apareció la Owens Corning Fiberglass Corporation.

1935 Se considera el año del nacimiento del Nylon producto del genio indiscutible WallaceH. Carothers. americano, quien inició los trabajos de investigación para desarrollarun sustituto de la seda a petición de la DuPont

1938 El alemán Paul Schlack produce otra poliamida, el Perlón. repartiéndose asi entre losamericanos y los alemanes el interés mundial por la produccion de este tipo de fibras.

1941 Los ingleses Whinfield y Dickson de la compañia Calico Printers. solicitan la patentepara proteger la manufactura de fibras poliestericas. La produccion mundial la asumela Imperial Chemical Industries.

1942 Un invento del alemán Rein permite la producción de las fibras poliacrilonitrilos.

Otras nuevas fibras posteriormente fueron inventadas y cambien a medida que el desarrollo delas mismas ha ido en crecimiento, se han introducido mejoras considerables en las ya existentes.Los anteriores breves datos, pertenecientes a la historia apasionante de las fibras artificiales, sehan referido solamente a algunos de los productos mas sobresalientes, y señalan e! tremendotrabajo y la gran cooperacion que ha sido necesario para lograr un alto grado de madurezindustrial en este campo.

L2 USOS Y CLASIFICACION DE LAS FIBRASEn los materiales clasificados como fibras están comprendidos los productos naturales

y sinteticos de origen orgánico e inorgánico. Por otro lado, algunos de los productos de origenorgánico, como los polímeros. que son considerados como fibras, en algunos casos se usanigualmente como plasticos, tal como los ejemplos de los productos conocidos como Nylon.Acetato de Celulosa y Poliéster. De ahí que las fibras, a parte de su uso, se clasifiquen más bienpor su forma que por cualquier otra propiedad. Es por esto que una manera muy comun dedefinir una fibra es aquella en !a que se requiere que su longitud sea 100 vecei el valor de sudiámetro.

Las fibras artificiales generalmente pueden fabricarse de -:ualquier r elación Longitud adiametro. mediante los procesos de hilatura continua. En cambio las fibras naturales como elalgorinla lana y el lino son de longitudes de 1.000 a 3.000 veces su diámetro y otras fibras

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FIBRAS NATURALES

1Fibras l Fibras

de deFibras Lana y

de fibras de

Corteza I Hojas Semillas Cabello

MohairPelo decamelloCachemiraLlamaAlpacaVicuñaPelo decaballoPelo devacaFibras deconejo yvaca

Fibrasde

Proteina

Fibras deCelulosa

Regenerada

Fibras deEsteres deCelulosa

Rayón ViscosaRayón Cupro-amoniaca'

Acetato deCelulosasecundario

.1 De Origen 1 De OrigenAnimal 1 Mineral 1

ISeda y ILAsbestos

Otros I

Filamentos.

1 I Seda 1Sisal

AbacaHenequenFique

Palma

Al l Lana

Fig. No. 1

MisceláneasFibras

DIAGRAMA DE CLASIFICACION DE LAS FIBRAS

1 FIBRAS ARTIFICIALES

L REGENERADAS nITETICAS

YuteLinoCañamoKenafRamio

De OrigenVegetal

1 -Poliamidas2 Poliésteres3 Derivados de Celulosa:

PoliacrilonitriloPolicloruro de ViniloPolicloruro de VinilidenoAlcohol PoiivinilicoFluorocarbonadasDinitrilo de PolivinilidenoPoliestirenoMiscelaneos

4 Poliolefinas:PolietilenoPolipropileno

5 -Poliuretanos:6 -Fibras sintéticas misceláneas:

VidrioCerámicaMetalPoliureaPolicarbonato

naturales como el yute, ramio y cáñamo tienen longitudes de solo 100 a 1.000 veces estarelación.

Esta característica de las fibras de ser largas o suficientemente largas es muy importante porcuanto esta condicion es lo que en algunos casos le da su capacidad de aplicacion, y por otrolado le imparte una gran flexibilidad y resistencia.

Sin embargo, la característica que a juicio de los fabricantes de fibras textiles y tecnicos masl lama la atención, es la estructura molecular de las mismas. Si esto no fuese realmente cierto,tal vez no hubiese sida posible la demostración de la naturaleza de muchas importantes fibras,y en especial la naturaleza lineal de la cadena de la fibra conocida hoy dia universalmente con elnombre de Nylon.Por lo anterior, los siguientes puntos generales se consideran como los mas sobresalientesen el análisis de los requisitos que dependen de la utilidad de una fibra:

lo. Debe ser obtenida en cantidad suficiente.

2o. Debe ser producida a bajo costo, esto es, debe ser económica.

3o. Debe ser suficientemente fina, o delgada, para ser mezclada y retorcida con otrasfibras para asi formar la hilaza.

4o. Las fibras deben ser fuertes y extremadamente flexibles y elásticas.

5o. Deben tener capacidad para absorber humedad, lo que le permite ser usada para lafabricación de prendas para vestir.

En el caso de las fibras sintéticas provenientes de polímeros, los siguientes requisitos en parti•cular son necesarios.

lo. El polímero debe tener una estructura lineal y debe tener un peso molecular promedio por encima de 10.000.

2o. La molécula debe tener un alto grado de simetría.

3o. El polirncrc debe ser rápidamente orientado por estiramiento. para dar una altaresistencia y una reducida elongacion.

4o. El polímero deberá contener grupos polares regularmente espaciados para daruna fuerte cohesión intermolecular y un alto punto de fusión.

5o. El polímero deberá ser razonablemente resistente al calor. agua, productos quími.cos y capacidad de teñido bajo condiciones normales de uso.

No está por demás mencionar que todos los requisitos anteriores fueron expuestos porCarothers en 1930 en virtud de sus numerosas investigaciones y experiencias.

Desde el punto de vista de la clasificación, las fibras pueden clasificarse en dos grandes grupos:

1 o. Fibras Naturales2o. Fibras Artificiales

Corresponden al primer grupo de las fibras naturales el Algodón, la Seda, la Lana y el Lino. Lasfibras naturales se subdividen en tres diferentes grupos de acuerdo con la naturaleza de suorigen.

1.1. Fibras Vegetales1.2. Fibras Animales1.3. Fibras Minerales

En el grupo de las FIBRAS VEGETALES están incluidas las más importantes de las fibrastextiles, el Algodon. que junto con el Lino. el Yute y el Cáñamo y otras fibras han sido produ•cidas por las plantas. Estas fibras están constituidas por Celulosa. el material usado por lanaturaleza como material estructural en la vida de las plantas.

En las FIBRAS ANIMALES están incluidas la Lana y la Seda Estas fibras se basan enproteinas, una sustancia compleja del cual muchos de los cuerpos -le los animales seforman.

Las FIBRAS MINERALES son de importancia limitada en la aplicación textil Los Asbestosson los más usados, los cuales le comunican propiedades especiales a las fibras fabricadas con

6

7

ellas.

Las fibras Artificiales pueden sub-dividirse en dos clases distintas que dependen de la naturalezade la sustancia formadora de la fibra:

lo. Fibras Regeneradas2o. Fibras Sinteticas

FIBRAS REGENERADAS son aquellas en las que las sustancias formadoras de la fibra hansido ya fabricadas por la naturaleza. Por ejemplo, grandes cantidades de Celulosa existen en lavida de las plantas y sólo una pequeña fracción es utilizada para fabricar fibras tales como elAlgodón. La Celulosa está extensivamente sin ser aprovechada como fuente directa de fibrastextiles. Ella esta en forma fibrosa pero contaminada con otras sustancias. En los ultimostiempos se ha aprendido como manejar esta Celulosa natural para convertirla en forma adecuadaen fibras Textiles. Esta es la fuente de las fibras que ha recibido el nombre de Seda Artificial.

FIBRAS SINTETICAS son aquellas en las que el hombre ha desarrollado su total operacionen la produccion de la fibra sin intervencion de la naturaleza en la participacion de la sustanciaformadora de la fibra. El Nylon, el Poliéster. los Acrílicos son ejemplos de fibras tipicamentesintéticas y fabricadas de productos derivados del Carbón y del Petróleo.

De acuerdo con lo anteriormente expuesto el siguiente cuadro general de clasificación de lasfibras se puede formular (Figura 1).

1.3. SISTEMA PARA NUMERAR LAS FIBRASEn la industria se emplean dos sistemas para numerar las fibras, una que se refiere al

peso. y otra que se refiere al largo de la fibra.

En cuanto al peso se refiere, la expresión utilizada se llama "Denier", y se aplica tanto a lasfibras naturales como artificiales. El Denier expresa además finura de las fibras y filamentos.

"Denier" significa el peso de una medida fija o sea 9.000 metros. Por lo tanto. el peso en gra-mos de 9.000 metros es equivalente al Denier. medida que ha sido reconocida por la "BISFA"(The International Bureau for the Standarisation of Man Made Fibres), y que tiene ampliaaplicación en la producción de fibras sintéticas tales como el Nylon, Poliéster, etc.

Otra unidad también conocida es el llamado "Tex" que es una unidad más nueva y se ajustaal Sistema Métrico Decimal. Se define como el peso en gramos de 1.000 metros de fibra o defilamento. Esta unidad ha sido establecida por la I.S.O. (The International Organization forStandarization, de Europa).

Por ultimo se conoce tambien la unidad llamada "Grex'', que corresponde al peso en gramosde 10.000 metros.

En cuanto al Denier. la relación básica es como sigue:

Gramos (gm) Denier

Longitud (L)

siendo el valor de (L) equivalente a:

metros por unidad de longitud

M/L 9.000 y 1.9.000

Asi. la expresión resultante para Denier llega a ser:

Gramos (9.000)Denier

EJEMPLO I: Una hilaza de 450 metros de longitud pesa 5 gramos. ¿Cuál es el denier de la hilaza?

5 (9.000)Denier 100

450

EJEMPLO II: Una bobina de N y lon de 50 Denier pesa 35 gramos neto. ¿Qué longitud de

Ices esta

ante porpor otro

icos mase cierto,1s fibras,:e con el

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para la

parti-

prome

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D. Las1e su

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n en?s se

.stoscon

9 000

hilaza tiene la bobina?

35 (9.000)50 ; M = 6 300 metros

La fórmula básica para la unidad de medida "Tex" es como sigue:

1 000 (Gm)Tex

Ahora bien, la conversión de T'ex a Denier es relativamente simple, y se procede así:

Tex 1Denier 9

DenierTex

9.

Denier 9 x Tex

Existen, ademas, otras numeraciones. Por ejemplo la numeracion llamada "Titulo" que es perfectamente equivalente al Denier. Además, la unidad llamada "Número", que se aplica para darleuno el largo de un peso fijo.

As'. el numero métrico. enseña cuantos metros hay en un 1 gramo, o cuantos kilómetros hayen un kilogramo de fibra o de hilaza. De donde la formula básica para esta numeracion escomo sigue:

Número métrico (Nm) -- metros/gramo

EJEMPLO: ,Cual es el numero metrico de una hilaza de Denier 150?

9.00011-1 150

N X 1 -7---60

La figura 11 muestra una Balanza de Torsión utilizada en todos los laboratorios textiles decontrol para determinar el Titulo o Denier de las fibras.

o

1.4.

se conetrial esfilamenfilameno sea 5más filacue n terbase d E

Losproducmono-f

En laconoce

El piarDenier

Peso esPeso es

Poi

Gaveta para guaudar la pinza.Control de niveldel aparato.Punto de fijacióno desfijacion.Tapa de protec-ción.Sitio para ajustara cero la Balanza.Nivel de burbuja.Cuadrante de medición.Punto de Rotación del cuadran-te.Control Rotatorio.Tapa de protec-ción.

Fig. No. 2. Balanza de Torsión para determinar el Titulo o Den ier de las fibras.

p

19.3 u

1.5.1..5

da(LaorcYLaalcdie

8

1.4. DENIER POR FILAMENTOUn concepto sumamente importante en el estudio de las Fibras Artificiales. es la que

se conoce como -Denier por filamento - . Este concepto quiere decir que en la practica indus•trial es posible producir filamentos sinteticos de un mismo Denier con diferentes numeros defilamentos. Asi. por ejemplo. una fibra de Nylon de 100 Denier puede producirse de 20 y 34filamentos. La primera tendría un ''denier por filamento - . llamado tambien DPF, de 100/20o sea 5. La ultima tendrá un denier por filamento de 100/34 o sea aproximadamente 3. Cuantomás filamentos hay en una fibra para un determinado denier. tanto más suave y dócil es Consecuentemente la fabricacion de una fibra con un determinado DPF se hace exclusivamente enbase del uso que finalmente se le vaya a dar a dicha fibra

Los diámetros más comunes de las fibras textiles varian entre 10 y 25 u (micrones). Se haproducido fibras superfinas del orden de 0,1 u. para filtros especiales. asi como tambienmono-filamentos de gran calibre para determinados usos no textiles.

En la práctica es posible calcular y relacionar el Denier con el diametro del filamento. si seconoce el peso especifico del material de la fibra.

El planteamiento matematico para calcular el Diametro de un filamento de acuerdo con suDenier. aplicable al Nylon. es como sigue

Peso especifico del Nylon 1,14 gramos /ccPeso especifico del Nylon 0.8772 cc/gramo

Por definición: Denier

g9.000 x 100

ramos/cms.

0.8772 cc/gm X

X 9.000 gramos/metro

X

gramos/cros.9.000 x 100

0.8772X9.000 x 100

cros

0.0000009746 X crn

Radio 30.0000009746 X N/0.0000003102 Xir

Diametro 2 X 0.0005568 \/X cros.'

2 X 0.011136 VX m m .

2 X 0.000437 s/X pulgadas'

donde X Denier

Ag . por ejemplo, para un Denier de 3 DPF el correspondiente diametro del filamento sera de19.3 - 20 u.

1.5. PROPIEDADES DE LAS FIBRAS1.5.1. Regain. Todas las fibras expuestas a la atmosfera recogen algo de humedad.

Esta es una caracteristica especial para las diferentes fibras. 1,a cantidad de hume-dad recogida varia igualmente con la humedad relativa y con la temperatura de la atmosfera.Las medidas son por lo tanto hechas a condiciones standards. las cuales son fijadas por losorganismos internacionales de control de calidad de las fibras en 65( .0de Humedad Relativay 70,'F de temperatura.

LaS diferentes fibras tienen igualmente características distintas para absorber humedad yalcanzar su equilibrio con la atmosfera. Algunas toman poco tiempo. otras toman hastadías.

9

perfeca darle

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3 guar-

nivel

jaciónn.Drotec-

ajustaralanza.irbuja.le me-

Rota-iad ran -

tatorio.irotec-

Nylon 6.

Nylon 6,6

4

3_ Nylon 6,10

2_

1

7

6_

5_

8

Generalmente el contenido de humedad de una fibra se describe como -regain" y se definecomo el porcentaje en peso de humedad presente, calculado sobre su peso en seco, obtenidosecando la fibra a temperatura de 105 -110'C.

Así, si 100 partes por peso de un material textil contiene 10 partes por peso de humedad,el regain es 10/90 x 100 = 11,1% y el contenido de humedad equivalente es 10%. Dedonde se sigue que el porcentaje de regain es siempre mayor que el porcentaje de humedad.

Fig. No. 3. El contenido de agua en equilibrio de los tipos de Nylon 6, 6-6 y 6-10 en funciónde la humedad relativa, se señalan en esta figura.

10 2() 30 40 50 60 70 80Humedad relativa del aire (°/o)

90 100

1.5.2. Densidad de las fibras. La densidad es una de las más importantes característi-cas de las fibras y juega un papel definitivo en la aplicación de las mismas. En la

Tabla No. 1 se relaciona los valores de la densidad de las más conocidas fibras naturales,y en la Tabla No. 2 la de las fibras sintéticas.

TABLA No. 1

Densidad de las fibras naturales

Asbesto 2,10 2,80Algodón 1,50Yute 1,48Lana (Mohair y Camel) 1,32Lino 1,50Ramio 1,51Seda (hervida) 1,25Seda (natural) 1,33Cañamo 1,48

10

se defineobtenido

lumedad,10%. Deiumedad.

función

TABLA No. 2

Densidad de las fibras sintéticas

PoliacrilicasPolipropilenoPoliestericasPolietilenoRayon AcetatoRayon CupramonioNitrato de CelulosaRayon ViscosaNylon 6Nylon 11Nylon 6.6

1.14 1.180.911.380.90 0.951.331 .521,54

'1.521.141.101.14

)n 6,10

1.5.3. Recuperación elástica. La recuperación elástica de las fibras es la capacidadque tiene un material para regresar a su longitud original después de haber sido

estirado. El tiempo requerido por la fibra para recuperar su longitud original es un factormuy importante en el análisis de las características de las fibras.

Sin recuperacion elastica seria imposible producir articulo\ que mantengan su formaoriginal o se ajuste a los contornos del cuerpo humano.

Los siguientes datos de recuperacion elástica se han observado en pruebas realizadas para laSeda y el Nylon (Ver tablas No. 3 y No. 4):

TABLA No. 3

Recuperación sin carga, estirada por 100segundos y recuperada a los 60 segundos

% de Recuperacion ElasticaEstirado

SEDA NYLON

aerísti-. En la:urales,

100100100

91

TABLA No. 4

Recuperación contra' una carga de 0,25gramos/Den estirada por 30 segundosy recuperada a los 60 segundos.

IVIATERIAI ,% de Recuperacion Elástica.después de estirada con:

NylonSeda

1.5.4. Ilasticidad de longitud. Hook fue el primero que experimento e investigola elasticidad que se lleva a cabo en los cuerpos por la acción de una fuerza.

TABLA No. 5

Módulo de alargamiento de algunasfibras sintéticas

FIBRAS Módulo en gramos/denierpor 1% de alargamiento.

Seda 0,75--1,16Lana 0.30 0.40Nylon (a 50% HR) 0.31Hilo de vidrio 0.50Algodón 2,75Acetato de Celulosa 0.40Rayón Viscosa 0,70Rayón de Cupramonio 0,90

Concluyó que en la acción de una fuerza sobre un cuerpo, las moléculas tienden a separarsey que cuando se vencía la fuerza de cohesión en las moléculas, el cuerpo se desplazabahasta cierto límite en que se rompe, y por lo tanto, la cohesión en las moléculas cesaba.El límite de este esfuerzo se llama "Límite de Elasticidad".

Hay tres clases de elasticidad: longitud, de superficie y de volumen. Pero en el caso de las-fibras, el que más interesa es el primero, y se caracteriza porque las fuerzas o carga actúaperpendicularmente.

Hook dedujo que la L varia proporcionalmente con el W (trabajo) y sacó como conclusiónque:

stress a strainen donde

F (Fuerza)stress

A (Ares)

strain L (Diferencia de Longitudes)

L (Longitud inicial)

Yy , Stress

Strain

siendo Y una constante llamada "Módulo de Elasticidad"(Ver Fig. No. 4).

En la industria de fibras, el stress o sea el incremento decarga, se mide en gramos/denier, y el strain o sea elincremento de alargamiento se mide en porcentaje (%).Así, por ejemplo, si una carga inicial de 2,05gramos/denier produce un alargamiento del 5%, elmódulo será 2,05/5 = 0,41 gramos/denier x 1°/o, dealargamiento, etc.El "módulo de elasticidad o de alargamiento" se puededefinir como la relación del aumento de la carga alaumento de la elongación.

o "Coeficiente de Young"

En la siguiente tabla se relacionan los valores de módulo de alargamiento para algunas delas más conocidas fibras sintéticas:

12

Además, la humedad relativa de la atmósfera, en la cual la fibra se ha acondicionado,afecta grandemente el Modulo de Alargamiento, tal como se ilustra en la siguiente tabla

TABLA No. 6

Humedad Relativa ( aica)Módulo de alargamiento

(Giden x 1 dealargamiento)

aararselazaba,esaba.

de las.actúa

lusión

0 0,48 gramos/denier

50 0.31 gramos/denier

100 0,116 gramos/denier

1.5.5. Resistencia de las fibras. La Resistencia de una fibra se considera comola parte mas importante de la misma, y algunos técnicos textiles la consideran

igualmente como la parte vital y asi ha sido aceptada en términos generales.La primera propiedad que se evalúa en una fibra es la Resistencia. y por ello se sabe si lafibra es útil o no. La Resistencia es ademas una de las caractensticas más sobresalientespara juzgar la calidad de una fibra.Resistencia a la Tensión. Se define como la fuerza o la carga por unidad de área necesavia para romper un material. Hay diferentes unidades usadas en la industria textil. perola más conocida es la que se refiere a la libra por pulgada cuadrada.

Tenacidad. En la manufactura de las fibras sintéticas, la forma más empleada para expre-sar la Resistencia de una fibra, es por el uso de la Tenacidad La Tenacidad se define comola fuerza o carga aplicada a un material por unidad de finura. esto es, gramos por denier.Tenacidad a la rotura. Es la tenacidad de la fibra calculada al aplacar una fuerza a lamisma en el momento de su ruptura. Se puede calcular asi.

ng"

5 gramosTenacidad (Gramos/Den) —

142.5— 1.43 gramosidenier

100 Denier

siendo 142.5 la resistencia a la rotura de una fibra de 100 Denier.

elongación. I,a elongación es la medida de la extensión de la deformación a lo largo deleje del material, bajo el esfuerzo de tensión (stress), y se expresa como porcentajedel carobio en longitud, en base de la longitud original de la muestra sujeta a prueba. La elongaciona la rotura es la longitud que se registra en la fibra en el momento de su rotura. expresadaen porcentaje (%).

Asi, por ejemplo. si una muestra original de la fibra puesta en prueba fue de 10 pulgadas,y la muestra sufre un estiramiento adicional de 2.5 pulgadas en el momento de la rotura.el porcentaje de la elongación se calcula así.

as de

12.5 —10Elongación (%) —

10 100= 25%

Cunas de Tenacidad vs. Elongación. Estas curvas llamadas curvas de ''stress strain"son muy usadas en las pruebas de control de calidad de las fibras y sirven para identificarlas fibras y determinar sus propiedades físicas y mecánicas.Las curvas de la figura No.5 son curvas tipicas de stress-strain donde se señala las caracteristicas mecánicas del Nylon 6.6 y del Nylon 6.

Todas las fibras tienen curvas características y cuando en una gráfica stress strain apareceuna linea recta se indica que la fibra es perfectamente elastica. ya que la extension o elongación de la fibra es proporcional a la carga aplicada. Esta caracteristica es, sin embargo,raramente encontrada en la práctica.

13

Altatenacidad

8.0

9.0 7.0

7.0 6.0

.5.0

Regulartenacidad Fibra 5 .0--

corta 4.0_C1572

ro

<1.9 3.0 3.0E-

1.0

t 1 4

Altatenacidad

Regulartenacidad

Condiciones...----standard

6

5200'F

4

300'F3

2

al

8 300E

5 2

10 20 30 40 50 10 20 30 40 50Strain (Elongación, '50)

Fig. No. 5. Curvas de stress-strain para el Nylon 6,6 y el Nylon 6 respectivamente.

La temperatura afecta las propiedades mecánicas de las fibras. Esta acción se demuestraperfectamente en las figuras 6 y 7.

Condicionesstandard

200'F

300'F

10 10 20 30 40 0 10 20 30 40 50Fig. No. 6. Efecto de la tempe- FIg. No. 7. Efecto de la temperatura sobre unaratura sobre una fibra de Nylon fibra de Nylon 50/13 semi-mate.40/13 semi-mate.

1.5.6.

Examen microscópico de las Fibras. Una de las herramientas más importantes para el estudio e identificación de !as fibras, es el Microscopio Con esta

14

herramienta en cualquier Laboratorio Textil, es posible observar el aspecto superficial y elcorte seccional de las fibras y ayuda a examinar el efecto de los disolventes y de loscolorantes sobre los mismos. Ultimamente con el advenimiento del Microscopio de Puntode Fusión es posible observar el efecto de la temperatura sobre las fibras y calcular conmucha precisión el Punto de Fusión de las mismas.

En la siguiente figura se representa un modelo de microscopio moderno denominadoProyectina que consta de microscopio y proyector.

Fig. No. 8. Instrumento para el examenmicroscópico de las fibras denominadoProyectina.

Seguidamente, aparecen a continuación las formas longitudinales y los cortes seccionasesde las fibras más importantes:

Fig. lo. 9. Triacetato de celulosa (Tricel). Vista longitudinal a 750 aumentos.

16

Fig. Nc. 10. Triacetato de celulosa (Tricel). Seccióntransversal a 750 aumentos.

Fig. No. 11. Acetato secundario de celulosa deslus-trado con pigmentos.

4

-- ,k#N4',41e5,-Iii, <444.4

Fig. No. 12. Acetato secundario de celulosa deshs-trado con pigmento.

11111111111M. arammlarla"4t1,

Fig. No. 13. Rayón cuproamoniacal.

Fig. No. 14. Rayón cuproamoniacal.

—

U"...:40~111

Fig. No. 15. Rayón de viscosa, de tenacidad normal.

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Fig. No. 16. Rayón de viscosa de tenacidad normal.

17

18

111~31"111-

00'1'

Fig. No. 17. Poliamida (Nylon 6,6). Vista longitudi-nal a 180 aumentos. Muestra el aspecto de las fibrascon tres cantidades de agente deslustrante (bióxidode titanio); izquierda, fibra brillante TÍO,;centro, fibras semiopacas 0,3% TiO2; derecha, fibraopaca 2% TiO,.

""00119W

Fig. No. 18. Poliamida (Nylon 6,6). Sección trans yei -sal a 750 aumentos. Otras fibras de poliarnida: porejemplo, nylon 6 y 11, sin similares.

~II

Fig. No. 19. Poliamida (Nylon 6,6) trilobal (BritishNylon Spinners Ltd., tipo 1.200). Vista longitudinala 180 aumentos.

Fig. No. 20. Poliamida (Nylon 6,6) trilobal (BritishNylon Spinners Ltd., tipo 1.200). Sección transversala 500 aumentos.

Fig. No. 21. Poliéster (Terylene). Vista longitudinal a 750 aumentos. Filamentode un hilo plano de 50 deniers, 24 filamentos.

Fig. No. 22. Poliéster (Terylene). Sección transversala 750 aumentos.

212~t 1111,, 111:171,115111"1"1115351115' .71153-9;;;2111W"111111... *150.-n- Ir'immizommarmisautuzitaisi— " -*• • •

Fig. No. 23. Fibra acrílica (Courtelle). Vista longitudinal a 750 aumentos. Lasrayas muy finas en la superficie de la fibra son características del Courtelle.

19

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Fig. No. 24. Fibra acrílica (Courtelle). Sección trans-versal a 750 aumentos. Sección transversal de formaaproximadamente circular, con muescas extremada-mente finas alrededor de la periferia, sólo visiblescon &andes aumentos.

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Fig. No. 25. Cloruro de pol,viniio (Fibra vil). Vista longitudinal a 750 aumentos.Es característica la superficie listada de la fibra.

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tizar_41Fig. No. 26. Cloruro de polimilo (Yibrav11). Seccióntransversal a 750 aumentos. Las formas de las seccio-nes son redondeadas irregularmente.

20

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Fig. No. 27. Polietileno de baja densidad (Courlene).Vista longitudinal a 180 aumentos. El polietileno dealta densidad (por ejemplo, Courlene X3) y el poli-propileno son similares en su aspecto, salvo en ladensidad lineal de la fibra.

Fig. No. 28. Polietileno de baja densidad (Courlene).Sección transversal a 500 aumentos.

1.5.7.

Uniformidad de las Fibras. Una de las más importantes características de lasfibras con posterioridad a su proceso de producción, es la uniformidad de la mis-

ma, referida al Denier o Título. •

Muchas son las causas para que una" fibra logre una pobre uniformidad en su proceso deformación, y es muy difícil preciar, en términos generales, para todas las fibras cuáles son.En la práctica para un rápido y extensivo control de la uniformidad, se utilizan modernosaparatos y así es posible probar el material en forma continua y rápida.Uno de los modelos más usados para estos propósitos es el aparato llamado"Eltigraph" que permite medir y registrar en forma continua la uniformidad de cualquierclase de fibra (ver figura). Este modelo, como los diferentes modelos que existen para éstosmismos propósitos, constituyen a no dudarlo una verdadera herramienta muy necesariapara el control de la calidad en la producción de fibras.

El. aparato consta de un sistema de alimen,tación continua hacia una de los elementos gra-dnádos de un capacitor de medición. Estos cambios de capacidad son directamente proporcionales al corte seccional de la hilaza sujeta a prueba. Estas señales pueden ser amplificadasy enviadas a un registrador.

El aparato viene acompañado con un integrador electrónico que sirve para hacer una rápiday segura evaluación numérica de los diagramas obtenidos en el registrador y ha sido especial

21

ooo.

Fig. No. 29. Equipo Eltrigraph para el control de la uniformidad de las fibras.

mente desarrollado para este proposito. El integrador se conecta al Eltigraph e indica pormedio de un mecanismo de piñones el integral lineal y cuadrático de los diagramas. A partirde los dos valores indicados los valores lineales X, la desviac i ón cuadrática media X 2 , el factorde dispersión S y el coeficiente de variación V puede fácilmente computárse.

22

14'

Caracteristicas del equipo:

Extensión de la medida 5 10.000 Denier

Velocidad de ¿limentación del material 2 4 12 m/min.

Velocidad de registración 2 4 12 cm/min.

Otro de los modelos conocidos en la industria textil para estos mismos propositos. es elprobador USTER (ver figura). El USTER tiene la ventaja de que permite un examen de launiformidad de la fibra sobre margen de medida más amplio. En esta forma es posibleconseguir velocidades del orden de 250, 500, 750 y hasta 1.000 mts/min. que permite unaprueba completa de la fibra.

CAPITULO II

2.1. Diferencias entre las Fibras Naturales y Sintéticas

2.2. Estructura Molecular de las Fibras

2.3. Influencia del Arreglo Molecular

2.4. Influencia de los Enlaces Intermoleculares en las Fibras

2.5. Orientación Molecular de las Fibras

2.6. Metodos empleados para Evidenciar la Orientación de las Moléculas

2.6.1. Hinchamiento rió isotropico

2.6.2. Bi-refrigencia

2.6.3. Dicroismo

2.6.4. Análisis por Rayos X

2.7. Cristalinidad

2.8. Sintesis de las sustancias productoras de Fibras

2.8.1. Polimerización por Condensación

2.8.2. Condensación I ntramolecular

2.8.3. Fibras que se fabrican por Polimerización por Condensación

2.8.4. Polimerización por Adición

2.8.5. Procesos empleados en la Polimerización por Adición

2.8.5.1. Iniciación

2.8.5.2. Propagación

2.8.5.3. Terminación

2.8.6. Fibras que se fabrican por Polimerización por Adición

2.1. DIFERENCIAS ENTRE LAS FIBRAS NATURALES Y SIN'', ETICAS.

La más sobresaliente diferencia entre las fibras naturales y sinteticas es aquella queestá determinada por la velocidad con la cual la forma o estructura naolecular se construyeMientras que el crecimiento de las fibras naturales es extremadamente lento y bajo, esto esuna fracción de milímetro. la de formación de las fibras sintéticas. como consecuencia de lavelocidad de hilado. permite conseguir entre 50 a 1.000 metros por minuto. y aún más.En estas condiciones la estructura molecular de las fibras naturales resulta ser normal, regulary esencialmente perfecta, mientras que la estructura molecular de las fibras sinteticas es anormale imperfecta debido principalmente, como se dijo anteriormente. a la alta velocidad a la cuallas macromoléculas de la fibra se conforman. Esta es, entre otras. una de las principales razonespara la desuniforme absorción del teñido de muchas fibras sintéticas.

En el caso de las fibras sinteticas, la estructura molecular de cualquier fibra recién hilada no seforma instantaneamente, y las fuerzas intermoleculares se van haciendo gradualmente más resis.tentes a través del desarrollo de nuevos "dipolos" o "puentes de hidrógeno" en la fibra, en elperiodo comprendido entre el comienzo de la formación de la fibra bajo condiciones viscoplasticas y el de terminación, que generalmente es el secado o fijación de la fibra terminada.

El rápido proceso de formación y el arreglo desuniforme de las moléculas, da corno resultadola presencia en la fibra de microporos, microcanales y. al fin, en la pérdida de lugares o sitiosmoleculares. Todas estas diferencias en la estructura de la fibra se reflejan posteriormente en laspropiedades mecánicas y físico químicas de la fibra. Así. por ejemplo. algunos procesos talescomo la difusión de productos químicos hacia el interior de la fibra. cómo es el caso del teñidocon colorantes. o la difusion de sustancias hacia el exterior de la fibra. como es el caso de losprocesos de lavado. desulfuración, etc. y todos estos procesos toman lugar mas rapidamentecuando la estructura molecular de la fibra aún no se ha solidificado.

2 2. ESTRUCTURA MOLECULAR DE LAS FIBRAS SINTETICAS

Una característica importante que llama la atención en todos los polimeros formadores

de fibras es la de que están formados por moléculas de peso molecular muy grande. Estos valoresson diferentes en cada uno de ellos, pero en general, pasan de 10.000. Si se analizan las estruc-turas moleculares de estos polímeros se observan que están constituidos por cadenas linealessin ramificaciones, puesto que ellas se han formado por reacciones de condensación partiendode monómeros bifuncionales. Sin embargo, se pueden presentar reacciones imprevisivas que denlugar a moléculas ramificadas e inclusive a una posible formación de anillos debido al enlace delos extremos de la cadena.Tódas estas posibles estructuras se pueden investigar con la ayuda de métodos físicos y químicos,los principales de los cuales son los que se basan en el empleo de la luz visible, rayos infrarrojos,ultravioletas y rayos X.

2.3. INFLUENCIA DEL ARREGLO MOLECULAREs evidente, que las propiedades textiles tanto de las fibras naturales como de las

sintéticas, están determinadas por el arreglo macromolecular en la fibra. Algunas propiedadestales como la capacidad de absorción del agua, la aceptar los colorantes y las propiedadesquímicas, están fundamentalmente determinadas por la naturaleza química del polímero quelo constituye, y de la presencia de los grupos hidroxilos, arrtida, y otros en la molécula. Otraspropiedades no menos importantes tales como la resistencia, la extensión a la rotura, elmódulo de elasticidad, la estabilidad dimensional, dependen en menor grado de la naturalezaquímica del polímero de partida que del arreglo y la forma de las macromoléculas que con-forman la fibra.

2.4. INFLUENCIA DE LOS ENLACES INTERMOLECULARES EN LASFIBRAS

De no menor importancia cuie el arreglo y las formas de las macromoléculas en la fibra es laenergía de los enlaces intermoleCulares que unen las moléculas en la fibra, y previenen sudeslizamiento longitudinal o su desplazamiento bajo carga y otros tipos de acción mecánica.La naturaleza de estos enlaces intermoleculares es variable: pueden ser debidos a fuerzasdipolares, enlaces de hidrógeno, o fuerzas de Van der Waals. La totalidad de las fuerzasadhesivas de la macromolécula es generalmente considerablemente mayor que la energía queune los átomos d(carbono, oxígeno y nitrógeno en la cadena principal de las macromoléculas.Mientras mayor sea la energía de los enlaces intermoleculares, mayor será la dificultad para lamacromolécula cambiar su forma en respuesta a un esfuerzo de tensión, y mejor retiene lafibra la forma que le ha sido dada, y más lenta la difusión de los diferentes químicos hacia elinterior de la fibra. De allí la razón de la importancia de los índices de calificación de lasfibras tales como el -módulo de elasticidad", la deformabilidad de las fibras bajo una cargadada, el encogimiento sobre calentamiento de la fibra. la velocidad de coloración o de disolución, son dependientes en grado sumo de la magnitud de los enlaces intermoleculares.

La magnitud de los enlaces intermoleculares dependen. por encima de todo, de la naturalezaquímica de los polímeros, y de la presencia de grupos dipolares (grupos hidroxilicos, gruposamidas, grupos carbonilos, etc.) y de la regularidad de la estructura de los polímeros de partida.La magnitud de los enlaces intermoleculares, sin embargo, no está exclusivamente determinadopor la naturaleza química del polímero, sino también por las condiciones de hilado, sobre todopor la velocidad de precipitación de las macromoléculas de la solución o del producto fundidodel polímero. Mientras más rápidamente toma lugar este proceso, mas bajo será el número dedipolos o de otros grupos activos libres para reaccionar con grupos similares. de las moléculasvecinas, y mas pequeria será la energía de los enlaces intermoleculares. Por otro lado, cualquiertratamiento de la recién hilada fibra que permita una debilidad de su estructura molecular yun aumento en la mobilidad de los enlaces macromoleculares en la fibra (tales como calenta-miento), permitirá también un aumento en la energía de' los enlaces intermoleculares, ya quenuevos enlaces intermoleculares pueden formarse durante estos procesos. Por esta razón,'post•tratamientos que generen un debilitamiento temporal de la estructura molecular de la fibra,como calentamiento, vaporizado, etc., da como resultado un incremento en la resistencia de losenlaces intermoleculares. Esta fijación de la estructura. permite un aumento en el módulo dedeformación y una reducción del encogimiento. Al mismo tiempo, la velocidad de coloraciónde la fibra se disminuye considerablemente y su capacidad para disolverse en diferentes medios

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se reduce. Así, las má's importantes propiedades mecánicas y físico-químicas de la fibra depen-den de las condiciones y de la duración de los tratamientos térmicos de la fibra. Los post trata-mientos de la fibra recién hilada pueden afectar considerablemente sus características textiles.

2.5. ORIENTACION MOLECULAR DE LA FIBRAEstá demostrado, que la resistencia de una fibra depende directamente de la orienta

ción paralela de las macromoléculas al eje de las fibras, y que la extensión a la rotura y en general las propiedades físicas de las mismas dependen igualmente del grado al que estas moléculasson estiradas. Y es interesante observar como en algunos polímeros que no dan buenas fibrascomo el Poliestireno, es escasa la orientación molecular conseguida durante el estirado.El proceso de orientación de una fibra se produce invariablemente estirando la fibra a unatemperatura inferior a la del punto de fusión.Si se analizan, como vía de ejemplo, la figura No. 31. donde están representadas tres formas diferentes de arreglo molecular en la fibra, encontramos lo siguiente:

Fig. No. 31

Representación esquemática de:Polímero no-cristalino no-orientadoPolímero cristalino, no-orientado

c) Polímero cristalino, orientadoLa primera figura de éstas corresponde a condiciones de hilado bajo los cuales las macromo-léculas en la fibra se ordenan por si solas libremente, sin orientación, es decir al azar. Estaestructura molecular corresponde a una fibra hilada sin estiramiento, y se caracterizan por teneruna mínima resistencia, una extensión a la rotura alta, una rápida colorabilidad y una rápidapenetración de diferentes productos químicos hacia el interior de la fibra.El siguiente diagrama muestra la misma estructura, pero con estiramiento de la fibra inmediata-mente después del proceso de hilado. En este caso las moléculas son estiradas por la acción defuerzas externas, pero no están paralelamente orientadas al eje de la fibra. Esta estructura secaracteriza por una baja resistencia y una baja extensión a la rotura.

Las fibras ordenadas conforme al último diagrama, es el resultado de un alto grado de estira-miento durante su procesamiento. Tales fibras poseen una resistencia alta y una elonqaciónbaja, además admiten con lentitud los colorantes. A este tipo pertenecen el cordonel de viscosa,el cordo-nel de poliamidas y otros tipos de cordoneles.

La orientación molecular de las fibras puede definirse, por consiguiente, como el alineamientode las cadenas con respecto al eje longitudinal de la misma. El arreglo de las moléculas, tantoen una fibra natural como sintética, es un factor muy importante. En las fibras naturales, lainclinación promedia con respecto al eje longitudinal es típico de cada fibra y permanece inal-terable. Así, por ejemplo, el Ramio y el Lino tienen un alto grado de orientación y posee unaalta tenacidad, mientras que el Algodón tiene una tenacidad más baja.

30373%

20 60 CO 100

286%

200%

148 %

O

Esfuerzo Efectivo

En el caso de las fibras sintéticas, cuando la masa de polímeros cristaliza en ausencia de fuerzasexternas, los cristalitos tienden a formar una estructura al azar, como ya hemos visto anteriormente, y no existe una dirección preferida a lo largo de la cual las cadenas de los cristales tien•dan a permanecer. Es posible, en algunos casos, controlar el grado de orientación en el procesode formación de la fibra. Pero. en general, la forma de aumentar la orientación es invariablemente por estiramiento. En el caso del Nylon. por ejemplo, cuando se extruye, tiene una agrupaciónmolecular al azar y la única y mínima orientación es la causada por el flujo del Nylonfundido al salir por los orificios de las boquillas de hilado. Posteriormente la fibra de Nylon seestira unas cuatro veces su longitud original y así consigue un ordenamiento molecular a lolargo del eje de la fibra, que le comunica sus especiales propiedades.Ejemplos más específicos que ilustran la gran importancia de la orientación y de la cristalinidad,dos de los más importantes aspectos que conforman la arquitectura de los polímeros, se ilustraninmediatamente. En la figura No. 32 se puede ver claramente el muy grande y benéfico efectodel aumento de la orientación, sobre la resistencia del monofilamento de la Celulosa regeneraday su relación con la extensibilidad de la misma, según investigaciones y trabajos realizadospor Cumberbirch y Marland (1959).

EXTENSION (o/o)

Hg. No. 32. Efecto de la orientación sobre las curvasStress-Strain de monofilamentos de Rayón. Pruebashechas a 65% de HR.

Sin embargo, un ejemplo más corriente y de extremada importancia de los efectos de la cristalinidad sobre la utilidad de las propiedades de la fibra. se obtienen por el descubrimientode los polímerOs isotáctico altamente orientados hechos por Natta: La figura No. 33 señala una

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Fig. No. 33. Polipropileno Átáctico versus PolipropilenoIsotactico.

representación esquemática de la estructura ordinaria del Polipropileno Atáctico versus laestructura altamente ordenada del Polipropileno Isotactica. En este último. la alta regularidadde la estructura resulta en el desarrollo de un polímero ordenado y cristalino. Las fibras hiladasa partir de tales materiales isotácticos tienen altos puntos de fusión y alta . resistencia, de talmanera que ellos son adecuados para muchos usos textiles que en cambio las Poliolefinasordinarias y comunes no son adecuadas.

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le Nylon se[ecular a lo

2.6. METODOS EMPLEADOS PARA EVIDENCIAR LA ORIENTACIONDE LAS MOLECULAS.

Los principales procedimientos usados son:

Hinchamiento no-isotrópico (Anisotropía).Bi-refrigencia o Doble refracción.Dicroísmo yAnálisis por Rayos X.

2.6.1. Hinchamiento no-isotrópico. Una de las propiedades que es relativamente,fácil de medir a lo largo y ancho de la fibra, es la habilidad de estas para hincharse

cuando se humedecen con agua u otros líquidos. Si se toma un disco de gelatina, la cual sehincha con agua, se encuentra que al humedecerla se hincha igualmente en todas las direcciones. Esta sustancia se dice que tiene un hinchamiento isotrópico. Si se hace el mismoexperimento con una fibra, a la cual se le mide cuidadosamente su longitud y su diámetroantes de humedecerla con agua y luego se le mide de nuevo estos dos valores después dehumedecida, se encontrará que el aumento en diametro es mayor que el aumento enlongitud cuando ambos se comparan con sus dimensiones originales. Así, una fibra dealgodón sumergida en agua, aumenta su diámetro cerca de 14° , 0 pero su longitud solamenteen 1.2%. Otras fibras tienen comportamientos similares, pero hay diferencias considerablesentre fibras, tal como se ilustra en la siguiente. tabla.

stalinidad,se ilustranPico efectoregeneradarealizados

TABLA No. 7

PORCENTAJE DE PORCENTAJE DEFIBRA AUMENTO EN EL AUMENTO EN LA

DIAMETRO LONGITUD

Rayón Viscosa 26.0 3 5Seda 18.7 1.7Lana 16.0 1.2Algodón 14.0 1.2Nylon 5.0 1.2

e la cris-rimientoñala una Este comportamiento prueba que la estructura de la fibra a lo largo es diferente de la

estructura a través de su eje, y que el arreglo de las moléculas que la componen debe serdiferente en una dirección y en la otra.2.6 2. Bi-refrigencia. Cada sustancia tiene un indice de refracción. Esta es la medida

de la deflexión que sufre un rayo de luz, no normal a la superficie, al pasar por ella..Es también la medida de la velocidad de la luz en el medio. Materiales amorfos como el vidrio.y líquidos como el agua, tienen indices de refracción constantes. Cristales cúbicos tienenlas mismas propiedades en todas las direcciones y son isotrópicos; también tienen un indicede refracción constante. Pero otras formas de cristales como las formas de agujas, tienendos índices de refracción y cuando un rayo ae luz entra a un cristal de éstos. en general sedivide en dos componentes separadas, las cuales lo atraviezan en diferentes velocidades. Laresistencia al paso de la luz es mayor en una dirección que en otra y esto es una indicaciónclara que la estructura del cristal es diferente en una dirección y en la otra.De la misma manera, en el caso de las fibras, el índice de refracción a lo largo de la fibraes diferente del índice de refracción a través de la fibra. La propiedad de tener dos indicesde refracción se llama "Bi-iefrigencia o Doble refracción. El indice especifico de Bi-refri-

31

Fig. No. 34

gencia es la diferencia entre el índice de refracción axial y el índice de refracción transverso.Algunos valores se dan en la tabla No. 8 para ilustrar como esta diferencia es mayor paralas fibras más orientadas.

TABLA No. 8

FIBRA Indice Axial(E)

IndiceTransverso (W)

Diferencia(E W)

RamieSedaNylonPolietilenoLana

1,5961,5911.5801,5561,554

1,5281,5381.5201,5121,544

0,0680,0530,0600,0440,010

Se observa por los datos anteriores. que el Ramie y el Nylon tienen los valores másaltos por ser los más orientados.

2.6.3. l)icroísmo. Es un efecto óptico que se ha ligado a la orientación de las moléculasen las fibras. Hay ciertos colorantes que - absorben la luz polarizada en forri., no iso-

trópica y si se pasa luz polarizada al través de sus cristales a lo largo de un eje, esta es absorbida más que si se pasa a lo largo de otro eje. La absorción de la luz polarizada es mayor enuna dirección que en la otra y a los colorantes que se comportan en esa forma se les llama"Dicroicos". Rojo Congo es u.io de ellos y si las fibras de celulosa se tiñen con él, las fibrasmismas exhiben dicroísmo. Tales fibras exhiben máxima absorción de luz cuando la luzvibra en una dirección paralela al eje de la fibra y menor absorción cuando vibra perpendi-cularmente al eje de la fibra.

2.6.4. Análisis por Rayos X. La luz visible se puede usar para mostrar que hay unaorientación de las moléculas gigantes en las fibras y que el grado de orientación

varia de una fibra a otra, pero no puede decirnos mucho más acerca de la estructura internade las fibras. Se necesita de una medida más pequeña. Los rayos X son los indicados porquesu longitud de onda es cerca de 1/1000 de la de la luz visible y del mismo orden de distanciasinteratómicas.

•Hace cerca de 50 años. se descubrió que cuando un haz de Rayos X se dirigía sobre la carade un cristal, el rayo era separado en dos, un rayo pasaba derecho al traves del cristalmientras que el otro era difractado de él. Ambos rayos podían detectarse por peliculasfotográficas. El arreglo usado se muestra diagramáticamente en la figura 34.

Un cristal de azúcar C es atravesado por un haz de Rayos X de longitud de onda!! 0.71 A°después de pasar por una ranura S. Parte del haz de rayos pasa sin deflectarse directamenteal punto P donde se le detecta sobre una película fotográfica curva: perr otra parte del hazde rayos incidentes. es reflejado del cristal al punto R donde tambien es detectado fotograficamente. El angulo que forman entre los dos rayos se le 'lama 20, y con todos estos datosse puede tener la siguiente expresión:

32

= 2 Sen C

Donde . 1 longitud de onda del rayo incidente

0 1/2 del ángulo subtendido por el arco PR

d distancia entre las capas de átomosparalelos a la cara del cristal de la cualel rayo ha sido reflejado.

Como .11 y O se pueden medir, es fácil calcular d.

Después de hacer girar el cristal de modo que cada una de las otras caras presente un ánguloapropiado para producir rayos reflejados de otras capas atómicas podremos medir los es-pacios atómicos. De estas medidas se pueden construir modelos tridimensionales delcristal.Mucho del trabajo inicial con rayos X fué llevado a cabo por Lawe y por los hermanos W.H.y W. L. Bragg. Posteriormente O.L. Sponler aplicó el método al examen de productosnatu-rales como el almidón y protoplasma. Un poco más tarde encontró que era ventajoso parausarlo en fibras naturales porque solamente aquellas capas atómicas a lo largo de la longitudde la fibra serian apropiadas para reflejar el haz de rayos X. Posteriormente cuandolas fibras se giraron en ángulo recto al haz de rayos X, Sponsler encontró para el caso deRamie, una fibra altamente orientada, que entonces se producían un número diferente derayos reflejados que en el caso cuando el haz de rayos era paralelo al eje longitudinal de lafibra como se muestra en la Fig. No. 35.

Fig. No. 35. Reflexión de Rayos X por fibras Patine paralelas al haz de rayos. Reflexión deRayos X por fibras Ramie perperndiculares al haz.

2.7. CRISTALINIDADLa cristalinidad en una fibra se presenta cuando además de tener una buena orienta-

ción de las cadenas moleculares paralela al eje de la fibra, ciertas zonas de la molécula secolocan unas al lado de las otras en un orden tridimensional suficiente para llamarlas-cristalinas".

La orientación y la cristalinidad son diferentes grados de orden molecular, y ambos estánrelacionados con el grado de regularidad de la estructura de las moléculas poliméricas. Sonpolímeros típicamente cristalinos el Polietileno, los Poliésteres y las Poliamidas, que seobtienen a partir de intermedios de estructura regular y con cadenas sin ramificación, y en suestructura química igualmente regular y ordenada no hay evidencias de irregularidadesestereo-química.

Generalmente se considera que para que una fibra tenga sus mejores propiedades es precisoun elevado grado de cristalinidad y orientación. Esto es válido si se analizan el comportamientodel Cloruro de Polivinilo, del Poliacrilonitrilo y de los Poliésteres y Poliamidas como fibras.Si bien es cierto que los dos primeros son hilables como fibras útiles, siendo poco cristalinos,los segundos presenten las mejores propiedades como fibras sintéticas hasta ahora descubiertassiendo muy cristalinas. Lo que significa que es muy posible que la cristalinidad sea un primerrequisito, antes que la orientación, para mejorar las propiedades de ciertas fibras.

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1 A°antehazgra-nos

Por lo tanto, las moléculas que forman las fibras se ordenan en una estructura comprendidapor dos regiones perfectamente identificadas: la región cristalina de un alto grado de alinea-miento de las moléculas fuertemente sostenidas unas con otras, que proporcionan la resistenciay la rigidez de la fibra, y la región amorfa de un arreglo molecular desordenado que puedeproporcionar la flexibilidad y la reactividad de la fibra.La relación de material cristalino a material amorfo tiene una influencia muy importante en laspropiedades de cualquier fibra. En el caso de las fibras naturales, esta propiedad resulta serinherente de la fibra misma ya que está fijada por la naturaleza. En el caso de las fibras síntéticas,la relación cristalina amorfo puede controlarse en gran manera por las condiciones bajo lascuales la fibra es producida.

2.8. SINTESIS DE LAS SUSTANCIAS PRODUCTORAS DE FIBRASCuando los químicos vislumbraron la posibilidad de obtener materiales con carac

terísticas de fibras, diseñando y construyendo para ello moléculas largas o polímeros, se abrióun amplio horizonte a las investigaciones y a los mismos desarrollos.Uno de los investigadores que definitivamente más aportó y profundizó en el examen serenode estas posibilidades fue el gran científico norteamericano WALLACE H. CROTHERS.Carothers antes de trabajar como director del programa de investigaciones en Química Orgá-nica de la Du Pont, era uno de los químicos más sobresalientes que habían pasado por laUniversidad de Harvard, y desde temprana época ya había hecho algunas investigaciones parti-culares sobre la teoría de Irving Langmiur que se refería a los electrones-valencia y sus implica-ciones en la Química Orgánica, y por esa época ya era considerado como la persona que mejorcomprensión tenía del conocimiento de la Química Orgánica y de la Físico-Química.

Wallace Hume Carothers en el laboratorio de la CompañíaDu Pont donde realizara sus más importantes descubrimientos.

Pué Carothers, sin lugar a dudas, quien a raíz de sus investigaciones y hallazgos en la Du Pontconcreto las más completas e interesantes teorías sobre la forma como se sintetizan los mate-riales macromoleculares productores de fibras. Carothers dividió este estudio en dos grandesgrupos los cuales llamó Polimerización por Condensación y Polimerización por Adición, y

34

señaló las reglas y mecanismos necesarios para la ocurrencia de uno y otro tipo de polimerización.

2.8.1. Polimerización por Condensado!). Carothers encontró que si se tomaba unasustancia con un grupo reactivo o "funcional' en cada extremo de su molécula.

dos de estas moléculas podrían combinarse para dar una molécula de doble longitud. la cualtambién tendria un grupo funcional en cada uno de sus extremos. Luego. dos de estasmoléculas pueden combinarse entre si para dar otra molécula. y as) sucesivamente serepite el proceso de combinación hasta obtener moléculas de una longitud muy larga. Porejemplo, en la siguiente sintesis, partiendo del compuesto E Acido Hidroxi-Caproico. elgrupo hidroxilo de una molécula puede reaccionar con el grupo hidroxilico de otra molécula

nprendidade alinea--esistenciapie puede

nte en lasesulta sersintéticas,

bajo las

Dn carac, se abrió

!n sereno)THERS.ica Orgá-o por lay es parti-implica-

ue mejor

En la fotografía un científico ha logrado la síntesisde un polímero en un frasco de laboratorio, y aldesprender la varilla de vidrio de la masa del polímerose han formado unos hilos indicando la presencia deun policondensado.

en la siguiente secuencia:HO — (CH2)6 — COOH + HO— (CH2) , COOH HO(CH2)6 CO. 0(CH2) 6 COOH + H2 0

Monómero Monómero Dímero Agua

HO (CH2) 6 CO 0(CH2)6 COOH + HO(CH2) 6 CO. 0(CH2)6 COOH -

Dímero Dímero

HO . (CH2) ( CO. 0(CH2)6 C0.0(CH2)6 CO. 0(CH2)6 COOH Hz OTetramero Agua

Si la reacción prosigue más allá, resulta un Polímero de la siguiente fórmula condensada:

H l - O (CH2)6 CO— I n OH

formado por la reacción de: ne

n HO(CH2)6 COOH H l —0(CH2) CO - I n OH + (n —1) H20 r»1Polímero Agua

Este proceso se conoce como Polimerización por Condensación y se caracteriza: lo. Porqueestá acompañada por la eliminación progresiva de algo que sobra en la unión, que para estecaso es el agua. pero que en algunas reacciones puede ser cualquier otro compuesto simplecomo el HC1, el NI-11 o el Metanol. 2o. Hay unión de moléculas iguales entre si. 3o. Elproceso conduce a cuerpos intermedios definidos que se pueden aislar. 4o. La reacción esrelativamente lenta que alcanza un equilibrio y se puede hacer fácilmente reversible.Después de ensayar innumerables productos químicos, con características químicas especiales,

Pontmate-

randesión, y

36

Carothers encontró que los Hidroxiácidos, compuesto químico bifuncional, resultaba espe-cialmente apropiado para ser polimerizado en una estructura lineal de una longitud de ca-dena teóricamente infinita, produciendo un Poliéster, así:

n HO (CH2)9 COOH H[ - O (CH2) 9 CO - In OH + (n- 1) H2OHidroxiácido Poliéster Agua

De la misma manera los Aminoácidos. Así:

n NH2 (CH2) 5 COOH —› H [ - NH (CH2) 5 CO - In OH + (n - 1) H2OAminoácido Poliamida Agua

Posteriormente vinieron otras investigaciones y Carothers encontró que también era posiblesintetizar un Poliéster y una Poliamida partiendo de dos intermedios bifuncionales en unapolimerización por Condensación. Así:. lo. Partiendo de un Alcohol dihídrico (Glicol)y un diácido:

n HO-R-OH + n COOH-R'-COOH ----> H[-0,7-R-0-CO-R'-00-1n OH + (2n-1) H2O

Alcohol dihídrico Diácido Poliéster Agua

2o. Partiendo de una diamina (Hexametileno- Diamina) y un diácido:

n NH2-R - NH2 + n COOH - R' -COOH H[ -NH-R-NH -CO -R'-00-]1.1 OH + (2n - 1 )H20

Diamina Diácido Poliamida Agua

Para el caso de los intermedios de partida de características cíclicas, como el caso de laCaprolactama, del Oxido de Etileno, etc., cuyos anillos son inestables y con capacidadpara abrirse o de romperse por alguna influencia catalítica. Al romperse el anillo, quedanal descubiertó las unidades bifuncionales capaces de continuar el crecimiento. Por ejemplo:

lo(cH2), 71-1 + H29 Hooc(cH2)5 NH2

Caprolactama 2500C. Acido Arnino-Caproico

HOOC-(CH2) 5 -NH2 + CO(CH2) 5 NH --> HOOC-(CH2) 5 -NH-00-(CH2) 5 -NH2, etc.5 /

Acido Amino-Caproico Caprolactama NYLON 6

2.8.2. Condensación intramolecular. Las reacciones de condensación bifuncionales.presentan en algunos casos la posibilidad de conducir la reacción a la formación

de anillos monoméricos simples, tal como lo representa la reacción:

AX -R-Y--->rt Z

V

en estos casos se dice que la reacción de condensación ha ocurrido intramolecularmente. Porejemplo, podría esperarse que en el caso de la reacción del E -Hidroxicaproico, vista ante-riormente, y descrita como una reacción típica de polimerización por condensación, resultase un ester por unión de los dos extremos de la molécula. Así:

HO(CH2) 6 COOH -->E - Hidroxicaproico

CH2 -- CH2/ \CH2 CH21 1 + H2 0CH2 CH2

\ /CO - O

37

Sin embargo, Carothers demostró que esto no ocurre ya que un anillo de (7) siete átomoses muy inestable y difícil de producir. Pero si el intermedio o material de Partida contiene(6) seis, (5) cinco o (4) cuatro átomos, entonces sí se puede llegar a cerrar el anillo. Así:

CH2 — CH2/ \

HO(CH2 COOH --+ CH2 CH2Hidroxivalérico \ í

CO — OLactona cíclica

Al cerrarse el anillo se interrumpe el *acople progresivo de la reacción y por lo tanto se sus-pende la posibilidad de una polimerización. Es, por lo tanto, esencial, la escogencia demonómeros que no conduzcan a la formación de anillos estables.2.8.3. Fibras que se fabrican por Polimerización por Condensación. Las familias más

representativas son las Poliamidas, los Poliésteres y los Poliuretamos.

Entre las Poliamidas están el Nylon 6 y el Nylon-66 cuyas moléculas simples en la cadenaprincipal y sus características químicas más importantes son:Nylon-6 (Perlón Alemán):

—N—(CH2) 5 —C--N—(CH2) 5 -CII IIO O

Punto de Fusión = 215'CPeso Específico = 1,14 pe.

Nylon 6,6 (Nylon Americano):

—N—(CH2), —N—C—(CH2 —C—° " II

O OPunto de Fusión = 260'CPeso Específico = 1,14

Entre los Poliésteres, el más representativo para su utilización como fibra es el Tereftalatode Polietileno cuya estructura simp l e polimolecular es la siguiente:.

[—O(CH2)2 O. CO O CO —]n

Molécula del Tereftalato de Polietileno

Por último, entre los Poliuretanos, está el llamado Perlón U, cuya estructura simple es lasiguiente:

[- CO. NH(CH2 ) 6 NH. COO(CH2)4 0-1n

Molécula del Perlón U

2.8.4, Polimerización por Adición. Otro procedimiento para obtener sustancias ma-cromolecualres útiles" para la industria textil, es el llamado Polimerización por

Adición. Se caracteriza: lo. Porque la reacción se realiza sin pérdida alguna de sus compo-nentes. 2o. Hay unión de radicales o grupos que enlazan. 3o. El proceso se inicia y conclu-

espe-1 de ca-

posibleen unaGlicol)

1) H20

gua

1 )H20

agua

de laacidadludan!mplo:

2, etc.

)nales.ación

Porante-:esul

ye espontáneamente. Es muy difícil interrumpirlo, y cuando se consigue no se puedenaislar de la mezcla cuerpos definidos, ya que lo que reaccionan son radicales inestables,4o. La acción de los radicales o grupos libres hace muy rápida la polimerización.

Un ejemplo típico de esta clase de polimerización es la reacción del Etileno, que es uncompuesto no-saturado y que bajo determinadas condiciones reaccionan así:

CH = CH + CH = CH + CH = CH --+ CH - CH - CH - CH

Moléculas de Etileno Polietileno

Esta reacción es una simple reacción de adición y se lleva a cabo bajo altas temperaturasy presiones en presencia de catalizadores.2.8.5. Procesos empleados en la Polimerización por Adición. En la Polimeriza-

ción por adición se realizan tres procesos fundamentales, a saber: a) Iniciación,b) Propagación y c) Terminación, los cuales pueden representarse de la siguiente manera:

M MMM -- MMM ► -MnActivación Propagación Terminación

en donde el monomero (M) activado (Iniciación), seguido por la adición de otros monómerosen rápida sucesión (Propagación) hasta que el crecimiento de la cadena es suspendido(Terminación), coi. el resultado neto de una molécula de polímero (M n) la cual ha sidoformada de "n" monómeros.

2.8.5.1. Iniciación. Algunos compuestos de Vinilo como el Acetato de Vinilo, y elEstireno, pueden polimerizar lentamente a temperatura ambiente, pero muchos

requieren la aplicación de calor, luz o de un catalizador. Se usan dos clases de catalizado-res: los de radical libre y los iónicos.A - Iniciación con radicales llores. Un radical libre es una molécula rota, general-

mente inestable y lista para combinarse hasta llegar a un estado más completo.Los iniciadores más comunmente usados son los peróxidos orgánicos, los cuales sedescomponen lentamente a temperaturas de 50 a 150'C dejando el radical libre. Tambiénson usados los persulfatos y los compuestos de diazonio. Asi, por ejemplo, en la descom-posición del Peróxido de Benzoilo, se produce la generación de radicales libres de lasiguiente manera:

C6Hs -00-0-0-00 -C6Hsdescomposición

2 Ce Hs -000*Peróxido de Benzoilo Radical libre

Los radicales libres, representados por R * , se adhieren a un monómero, tal como a uncompuesto monovinilico y son capaces de reaccionar para abirle el doble enlace y absor-berlo regenerando el electrón no-compartido, según las siguientes reacciones:

R*CH2 -CH R -CH2 -HC*

X xRadical Monómero Cadena de Polímerolibre Vinílico en crecimiento

B - Iniciación Iónica. El catalizador usado en estas reacciones son del tipoFriedel-Crafts (Cloruro de Aluminio, Tri-Fluoruro de Boro, Tetracloruro de Ti-

tanio y Cloruro de Estaño). En algunos casos estos inician una reacción que el peróxidono puede iniciar.2.8.5.2. Propagación. La propagación consiste en ia adición sucesiva y rápida de

mo.ieculas de monómero a los centros activos, que se van regenerando en cadaadición. El crecimiento de la cadena puede ser representado con una serie sucesiva dereacciones:

38

no se pueden:ales inestables,)n.

?no, que es un

ts temperaturas

la Polimeriz4-a) Iniciación,

uiente manera:

-Mnación

os monómeroses suspendidoa cual ha sido

e Vinilo, y el, pero muchosde catalizado-

rota, general-nás completo.los cuales se

ibre. Tambiénen la descom-

?s libres de la

D*e

al como a unplace y absor-

on del tipo)ruro de Ti-? el peróxido

y rápida dendo en cadasucesiva de

+M rM +M--+ MM * ---> MMM * --> Mn

Propagación

o sea,R-CH2 -CH * + CH2 = CH --> R-CH2 - CH--CH2 -CH* -›

+ Monómero

I I I IX x x x

R -CH2 -CH- CHi -CH--CH2 -CH * etc.1 1

X x

2.8.5.3. Terminación. La Terminación consiste en la desactivación de las especiesactivas, bien por reacción mutua o bien por reacción con otras moléculas

presentes en el sistema, formándose un polímero Inactivo o Muerto. La terminaciónde la polimerización se puede representar asi:

M * + M*Mn + m

o sea, Terminación

R -(CH2 CH)n - CH2 CH * + R -(CH2 CH)m - CH2 -CH*

X X X X

R-(CH2 - CH)n CH2 -CH-CH-CH2 - (CH-CH2 )m - RI

X X X X

De los tres procesos indicados, la Iniciación es el más dificil de controlar, porque su"Energía de Activación" es la más elevada. Las fases de Propagación y Terminación suelentener muy bajas energías de activación y por eso son rapidísimas.

2.8.6. Fibras que se fabrican por Polimerización por Adición. Las más sobresalientes sonlas Poliofelinas, o sea el Polietileno y el Polipropueno, además, el Cloruro de

Polivinilo y los Poliacrilonitrilos, los cuales se verán con más amplitud su estudio posterior-mente.

39

CAPITULO III

3.1. Celulosa

3.1 1. Estructura Química

3.1.2. Influencia del peso Molecular de la Celulosa

3.1.3. Estructura de la Fibra de Celulosa

3.1.4. Reacciones Generales

3.1.5. Propiedades Fisicas

3.1.6. Propiedades Opticas

3.1.7. Identificaciones

3.1.8. Derivados de Celulosa

3.2. Fibras de Acetato de Celulosa

3.2.1. Manufactura del Acetato de Celulosa

3.2.2. Hilandería de Acetato de Celulosa

3.2.3. Propiedades de la Fibra de Acetato de Celulosa

3.2.4. Aplicaciones

3.3. Fibras de Rayón Viscosa

3.3.1. Naturaleza Química

3.3.2. Reacciones Químicas

3.3.3. Proceso de Manufactura

3.3.4. Propiedades de Rayon Viscosa

3.3.5. Usos

3.4. Rayón Cupramonio

3.4.1. Constitución Química

3.4.2. Proceso de Manufactura3.4.2.1. Metodo Clásico3.4.2.2 Método Continuo Moderno

3.4.3. Propiedades

CHOh CHOH

CH - O - CHCH ; - O - CH

CHOHCHOH CH O

CH2 OH

CHOH CHOH

CH

CH O

CH 2 OHL.

CH2OHCI

H

CH -i O - CH

CHOH I

CH 2 OHICH

CH-K

CHOH

3.1. Celulosa. La Celulosa Ps un polisacárido que tiene una fórmula química conden-sada de (Ce Ha) Os)n y es el principal componente de la membrana celular de la

mayor parte de la materia vegetal, y es el más abundante de todos los compuestos orgánicosnaturales. Es por consiguiente una materia prima de origen natural.

3.1.1. Estructura química. La constitución auímica de la Celulosa se presta a unagran diversidad de reacciones que conducen a la formación de múltiples derivados.

Químicamente es un polímero natural que está constituido por largas cadenas de.2.000a 3.000 grupos de unidades glucosa, enlazadas por átomos puentes de oxígeno y que puederepresentarse esauemáticamente de la siguiente manera:

Estructura molecular de la Celulosa.

Según,esta concepción representativa, que na sido demostrada experimentalmente, cadaunidad de glucosa de la larga cadena, contiene tres grupos oxhidrilos alcohólicos, dossecundarios y uno primario, los cuales gozarán de todas las propiedades reaccionales de lasfunciones alcohólicas primarias y secundarias, y por lo tantn podrán producir los ésteres

43

y éteres correspondientes.Consecuentemente, con el anhídrido o el ácido acético, dará los Acetatos de Celulosa; conel Acido Nítrico, los nitratos, y esterificando los grupos alcohólicos con el radical etilo,los Etil-Celulosa, y todos estos derivados poseerán las nuevas propiedades que les confierelos sustituyentes, los cuales, además, estarán íntimamente relacionadas con la cantidad degrupos oxhidrilos que hayan sido sustituidos en la longitud de la cadena de la Celulosaprimitiva.3.1.2. Influencia del peso molecular de la Celulosa. El peso molecular de un ma-

terial celulósico produce efectos importantes en algunas de sus propiedades físicas.A continuación se relacionan algunos valores representativos de pesos moleculares de laCelulosa y sus derivados:

TABLA No. 9

Material: Peso Molecular: Grado de Polimerización

Celulosa naturalAlgodones químicosPulpas de maderaCelulosas comercialesregeneradasNitrocelulosascomercialesAcetatos de Celulosacomerciales

más de 570.00080 a 500.00090 a 210.000

30 a 90.000

25 a 875.000

45 a 100.000

más de 3.500500 a 3.000600 a 1.300

200 a 600

100 a 3.500

175 a 360

3.1.3. Estructura de la fibra de Celulosa. El estudio de las fibras naturales de Celulosacon ayuda de los Rayos X, indica que muchas de las moléculas de Celulosa en

dichas fibras, están dispuestas con regularidad cristalina, y que las fibras están formadaspor regiones amorfas que tienen disposición más irregular que las moléculas de Celulosa.Ciertos carácteres de la estructura de dichas fibras producen señalado efecto en sus propie-dades. Por ejemplo: las proporciones relativas de celulosa amorfa y cristalina que contienelas fibras. modifican su contenido de humedad en equilibrio, su resistencia y su flexibilidad.La mayoría de las reacciones, al menos en los primeros períodos, es de naturaleza heterogéneay por consiguiente, está subordinada a las variaciones de la estructura de la fibra.

3.1.4. Reacciones generales.lo. En algunos procedimientos comerciales se la degrada deliberadamente,

para reducir su viscosidad y con ello mejorar su manejo en las operaciones de hilado,rociado de lacas y moldeado.

2o. Cuando se hidroliza parcialmente con ácidos se obtiene hidrocelulosa, cuyaspropiedades son determinadas por la circunstancia en que se efectúe la hidrólisis.

3o. Por oxidación en medio neutro o ácido, se forman oxi-celulosas reductoras,y en medio alcalino se forman oxicelulosas ácidas.

4o. Si se calientan fibras de celulosa a temperatura mayor de 140 0C. se reducela viscosidad y la resistencia a la tracción, se formen grupos reductores y aumenta su solu-bilidad en álcalis..

3.1.5. Propiedades físicas.lo. La Celulosa absorbe o rechaza el vapor de agua y otros vapores que hay en la

atmósfera, hasta alcanzar el equilibrio. El contenido de humedad en equilibrio, de laCelulosa, varía según las variaciones de la humedad relativa de la atmósfera en que se halla.

2o. La proporción de humedad de la Celulosa produce señalado efecto en algunasde sus propiedades, influye en la Resistencia a la Tracción y la conductividad eléctricaaumenta considerablemente al aumentar la humedad. G.

44

ón

lulosa; condical etilo,.s confiere.antidad dea Celulosa

le un ma-des físicas.lares de la

e Celulosaelulosa enformadasCelulosa.

us propie-contiene

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osa, cuyas

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se reduceta su solu-

hay en lario, de lae se halla.In algunas

eléctrica

3o. A pesar de ser higroscópica, la Celulosa no se disuelve en agua, pero sí ensoluciones concentradas de ácidos minerales fuertes. El mejor disolvente de la Celulosa esla solución de Hidroxido de Cupramonio, que se emplea en la fabricación de Rayón deCupramonio.

4o. La viscosidad es una de las propiedades más importantes de las solucionesde Celulosa y sus derivados, y aumenta muy rápidamente con la concentración.

5o. Por último, de los estudios sobre la estructura de la fibra se deduce que no esuniforme la densidad de la Celulosa en una sola fibra. El promedio de la densidad varíade acuerdo a su procedencia y puede ser modificada por tratamientos químicos.3.1.6. Propiedades Opticas. Las fibras de Celulosa tienen dos Indices de Refracción y la

diferencia entre las refracciones axial y transversa se llama doble refracción. Elalgodón tiene refracciones axial y transversa de 1,578 y 1,532, y refracción doble de 0,046.El lino tiene 1,596 y 1,528 para una refracción doble de 0,068. Las fibras de Celulosason fluorescentes a la luz ultravioleta. El algodón químico da fluorescencia blanca azulada,y la pulpa al sulfito blanqueada, fluorescencia blanca.

3.1.7. Identificación. No es posible identificar la Celulosa por medio de ningún ensayosencillo, pero es característica de ella la formación de Octocetato de Celobiosa

mediante la acetólisis con Anhídrido Acético y Acido Sulfúrico. Esta reacción puede servirpara identificarla. También es característica la difracción con Rayos X.

3.1.8. Derivados de Celulosa. Son múltiples los derivados de la Celulosa, entre ellaspodemos mencionar: las Lacas, el Rayón, las Películas Fotográficas y los

plásticos.Los derivados de Celulosa fueron de los primeros plásticos sintéticos que se fabricaron aescala industrial, y a pesar de la gran producción de muchos polímeros sintéticos nuevos,la de los derivados de Celulosa ha ido en aumento constante en virtud de sus propiedadesnotables y de su costo bastante reducido.Los más importantes se pueden clasificar de la siguiente manera:1— Eteres de Celulosa:

A — Inorgánicos, como la Nitrocelulosa.

B — Orgánicos: lo. Acetato de Celulosa2o. Propionato de Celulosa3o. Acetato—Propionato de Celulosa4o. Acetato—Butirato de Celulosa

2 Eteres de Celulosa:A Solubles en disolventes Orgánicos:

lo. Celulosa Etílica2o. Celulosa Bencílica

B — Solubles en agua o en soluciones acuosas de Hidróxido de Sodio:lo. Celulosa Metílica2o. Celulosa Carboximetílica sódica3o. Celulosa Hidroxietílica

3.2. FIBRAS DE ACETATO DE CELULOSABásicamente el Acetato de Celulosa es el producto de la reacción de la Celulosa

Química y del Anhídrido Acético. Por mucho tiempo fue conocido como un compuestoquímico sin mayores aplicaciones, pero hoy tiene enorme uso potencial como plástico y comomateria prima para la elaboración de fibras conocida con el nombre genérico de "Acetato".Desde el punto de vista químico, la presencia de los grupos funcionales oxhidrilos OH en lamolécula de Celulosa ha hecho posible preparar ésteres de Celulosa a partir de variados ácidosorgánicos.

En la industria textil se emplean dos tipos de Acetato de Celulosa, el Triacetato de Celulosay el Biacetato de Celulosa, algunas veces sustituidos los prefijos Tri y Bi por primario y secun-

45

dario respectivamente. 70-adic

Así, por ejemplo, el Triacetato de Celulosa se origina cuando la Celulosa reacciona con el bili(Anhídrido Acético en

70HrC6

presencia de un cataliz ador:

CH3 CO 00CCH3es rdes(

H7 02 — OH + 3n > 0 C6 r1702—OOCCH3 + 3n CH3COOH`N. OH n CH3C0 NOOCCH3 fibr

Celulosa Anhídrido Acético Triacetato de Celulosa Acido Acético delista

El Triacetato de Celulosa tiende a hidrolizarse en un medio acuosa débilmente ácido,en presencia de un catalizador, con el cual tiene lugar las siguientes ecuaciones simplificadas:

00CCH3 OHC6 ri 7 + H702-00CCH3 + nCH3COOHnH2 O —+ Cs

00CCH3 • 00CCH3 n LaTriacetato de Celulosa Biacetato de Celulosa de

liza'3.2.1. Manufactura del Acetato de Celulosa. El Acetato de Celulosa se producía origi- filtr

nalmente de "Linters" de algodón purificado, pero este ha sido completamente ciórreemplazado por la pulpa de madera. Otras materias primas usadas en su manufactura sonel Acido Acético (CH3COOH), el Anhídrido Acético (CH3C0)20 y el Acido Sulfúrico La :

Ent(SO4 H2 ).Ace

Las fases técnicas del proceso es como sigue: finclo. Pretratamiento de la carga de Celulosa con Acido Acético, aproximadamente últi

1/3 del peso de Celulosa, y una cantidad necesaria de agua para hidratar hasta un 6% la EnCelulosa seca. Este tratamiento ablanda la Celulosa y la hace accesible a la mezcla este-rificante.

•«,00 A2o. Acetilación total mediante el Anhídrido Acético, Acido Acético y Acido Sul

fúrico. La mezcla de estos productos, conocidos como "mezcla de acetilación" están confor-mados en un 40% por Anhídrido Acético y 6 0 % por Acido Acético, la cual se agrega másun 5°/0a 10% por encima de requerimiento estequiométrico. El Acido Sulfúrico se usa en unacantidad igual del 10 al 14% basado en el peso de Celulosa usado.El Anhídrido Acético, en este caso, provee los grupos Acetatos .para la esterificación y elAcido Sulfúrico actúa no como catalizador, en el sentido estricto de la palabra, sino que másbien él reacciona con la Celulosa para formar un Sulfo-éster.La reacción es exotérmica y requiere que el calor sea disipado. También, por otro lado,puesto que el Acido Acético se congela a temperatura ligeramente por debajo de latemperatura ambiente, es posible controlar, por este medio, la reacción.En la preparación para acetilación, el líquido de los reactantes es enfriado a un punto dondeel Acido Acético cristaliza, el calor de cristalización es removido por un sistema de enfria-miento apropiado y cuando la temperatura es cerca de 0 0C. el lodo de cristales de AcidoAcético en la mezcla, con Anhídrido Acético y Acido Sulfúrico, se bombea al acetilador.Una mezcla de salmuera refrigerada se usa para enfriar el equipo.

Durante la operación de acetilación tiene lugar una cierta cantidad de disociación decadenas en la molécula de Celulosa. Así se asegura que la Viscosidad del Acetato de Celulosaal hilarlo será tan bajo corno sea posible para facilitar el manejo, pero lo suficientemente altapara producir fibras con las propiedades físicas preferidas. La temperatura de reaccióncontrola la rata de acetilación y la degradación del peso molecular.

3o. Desacetilación parcial, conocida también con el nombre de sazonamiento omaduración, que consiste en convertir el 'friéster o Acetato Primario, a un Acetato Secunda-rio según la reacción anteriormente expuesta, con un promedio de 2,35 grupos acetilos yningún grupo sulfo por unidad de glucosa anhidra. Este proceso consiste en adicionar al Tria-ceto, calentado a 20- 21 0C. un 20 a 25°, 0de agua que reacciona con el exceso de AnhídridoAcético y produce la hidrólisis del Ester. Generalmente, el agua se usa como una soluciónde Acetato de Sodio o de Magnesio, para subir el pH y promover la hidrólisis. La madura-ción puede hacerse lentamente a temperatura ambiente por un tiempo de 24 horas, o a

CLAC

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46

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Fig. No. 36. Fabricación del Acetato de Celulosa. vApog

70 800 C. por inyección de . vapor para acelerar la reacción, aunque esto irrtroduce aguaadicional, pero la cantidad total está lejos del punto por debajo del cual ocurre la insolu-bilidad. Con agitación constante, la hidrólisis de los grupos sulfo y luego del grupo acetiloes relativamente homogénea. La hidrólisis se continúa hasta que se obtiene el valor acetildeseado.

4o. Precipitación. El nivel de Acetato de Celulosa usado en la manufactura defibras es de 54 55 3/0. Cuando se llega a este valor, se agrega una solución acuosa de Acetatode Sodio o de Magnesio para enfriar la hornada y parar la hidrolisis. La hornada está ahoralista para la precipitación.

[C6H702 (OSO3H)2 (CH3C00)2.s ]n + (CH3C00)2 Mg con

CH3COOH acuoso -+ . [C6 H702 (OH)o.-es (CH3C00)2.3s ]n + MgSO4

La regeneración de Acido Sulfúrico y la presencia de iones Mg en una solución concentradade Acido Acético resulta en la formación de Sulfato de Magnesio, el cual puede ser crista-lizado con enfriamiento, en forma de agujas. Estos cristales pueden usarse como ayudafiltrante, si se desea, para filtrar la solución de Acetato de Celulosa secundario en la solu-ción diluida de Acido Acético, para remover cualquier fibra no acetilada y otras impurezas.La solución es transportada a la vasija de precipitación por adición de Acido Acético diluido.Entonces se inunda con más Acido Acético diluido y se mezcla vigorosamente, así elAcetato de Celulosa sale como escamas en lugar de formar una masa gelatinosa o un polvofino. Estas escamas son lavadas por métodos normales en contracorriente, para remover lasúltimas trazas de ácido y luego son secadas en un secador comercial.En la figura No. 36 se ilustra el proceso completo de . su fabricación.

3.2.2. Hilandería del Acetato de Celulosa. Los procedimientos modernos parten de laAcetona, la cual es medida y agregada a un tanque vertical, equipado con un agita-

dor, y las escamas de Acetato y el ayuda filtrante son pesados en una tolva automáticamente.Todas las operaciones son controladas por sistemas conocidos en la industria química.La relación de materiales es: 25% de Acetato de Celulosa, 4% de Agua, menos de 1°/a depulpa molida como ayuda filtrante y el resto de Acetona. Después que la solución se hayacompletado se filtra en filtros-prensa en los cuales el medio filtrante puede ser cualquierade las muchas pulpas de tipo abierto, y se usan de 2 a 3 prensas.Gran parte del Acetato de Celulosa es deslustrado por adición de Dióxido de Titanio(Ti02), el cual se adiciona lo más cerca a las operaciones de disolución y mezclado, estocrea problemas de limpieza y reduce la flexibilidad del equipo. Por otro lado, inyectar la

e47

ona con el

COOH

:e ácido,iplificadas:

lucía origipletamente'actura son

Sulfúrico

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pasta hacia la boquilla de hilatura, reduce la limpieza pero acentúa la necesidad de mejormezclado, filtración cuidadosa y estricto control de calidad.Entre cada filtración y después de la última, el Acetato va a un tanque de almacenamientóel cual sirve para remover burbujas, en este caso no se necesita vacio. De los tanques dealmacenamiento se bombea a los tanques alimentadores o de cabecera, situados encima decada máquina hiladora; luego a una serie.de bombas medidoras tipo engranaje; una por cadaboquilla. Los orificios de las boquillas son pequeños (0.03 — 0.5 mm.) menores que losusados para la viscosa:En algunos casos el Acetato es calentado por encima del punto de ebullición de la Acetona(56,50C.) antes de entrar a la boquilla. Esto se hace para rebajar su viscosidad y asi poderreducir la presión requerida para extruirlo. También suministra algo del calor requeridopara la evaporación de la Acetona. Las boquillas son de acero inoxidable y se debe permitirespacio para que escapen los vapores de Acetona. La velocidad de Extrusión es de 500a 600 mpm., medidos a la salida del gabinete.

A -= Línea de pasta de acetatoB = Bomba de hilaturaC = Filtro velaD = BoquillaE = Gabinete de hiladoF = Rodillo guíaG = Rodillo de tracciónH = Campana de extracción y bobinaI = Eje de bobinadoraJ = Entrada de aire calienteK = Salida de aire con acetona

Fig. No. 37. Gabinete de Hilatura para el Acetato de Celulosa.

3.2.3. Propiedades de la Fibra de Acetato de Celulosa.

lo. Propiedades Mecánicas. Posee una Tenacidad entre 1.3 a 1.5 gramos/Deniery una Elongación a la rotura de 25 a 30 0/o en seco, y de 0,8 a 1,2 gramos/Denier y de 30a 40% en húmedo.

2o. Propiedades Químicas. Resiste bien los ácidos diluidos en frío, pero losácidos concentrados como el Acético y el Fórmico lo atacan en frío. Es soluble en Acetona,Metil-Etil-Cetona (MEK), Metil Acetato, Etil Acetato. Se ablanda por una serie de solventestales como el Cloroformo, Cloruro de Metilo, Cloruro de Etileno, etc.

3o. Propiedades Térmicas. El calor lo ablanda o sea que tiene.características deTermoplasticidad. Funde a 2300C. descomponiéndose. La fibra pierde Tenacidad cuando seexpone a la luz.

4o. Propiedades Eléctricas. Es buen aislante. Crea con facilidad cargas estáticasy en algunos usos hay que aplicarle acabados antiestáticos.

5o. Teñido. La temperatura de teñido está limitada a 85 0C. pero se usa normal-mente 75 0C. Los colorantes usados son del tipo Bases Dispersas como el Artisil Directo(Sandoz), Cibaset (Ciba) y Duranol (ICI).

6o. Higroscopicidad. El contenido de humedad bajo condiciones standard es

48

CH –CH – + NaOH ---+ – O – CH

Soda CáústicaCH O

CH2OHSoda Celulosa

CH.Of CH.OH

– O – CH

CH

CH2OH

Celulosa

CH.OH CH. ONa

–O – CH

CH O

CH2 OH

de 6,5% o sea menor que la Viscosa.Otras propiedades: Tiene un peso específico de 1,32, igual que la Lana. Su tacto es suavey los géneros fabricados con esta fibra tienen "buena caída".

3.2.4. Aplicaciones. Se usa en prendas para vestidos y ropa interior de mujer, corbatas,camisas, piyamas, medidas para hombre, en fibras cortas para hacer mezclas, pa-

ra cuellos semi-duros, como aislante de cables y bobinas eléctricas.

3.3. FIBRAS DE RAYON VISCOSA.

3.3.1. Naturaleza Química. La fibra de Rayón Viscosa es Celulosa regenerada. EstaCelulosa proviene de la madera de la cual es su mayor constituyente, de ella se

extrae por los procesos químicos de sulfito o sulfato usados para la elaboración de la pulpade madera. Esta pulpa de madera está constituída por un 93-94% de Celulosa y 6 a 70/ode humedad.La pulpa de madera es tratada con Soda Caústica, la cual convierte a la Celulosa en elálcali-Celulosa o Soda-Celulosa. Luego es tratada con Bisulfuro de Carbono y se convierteen Xantato Sódico de Celulosa para ser luego disuelto en una solución diluida de SodaCáustica. Esta solución se deja madurar y se hace más viscosa que al principio, entonces seextruye dentro de una solución ácida de baño coagulante, donde precipita la,Celulosa enforma de filamento de Rayón Viscosa.La Celulosa que constituye el filamento final, difiere químicamente de la Celulosa originalde la madera, solo en -in aspecto, y es en que ha sufrido una degradación durante el procesode manufactura. Las rioléculas, muy largas en la madera, han sido parcialmente hidrolizadasy se han roto en molé( ulas cortas, aunque aún siguen siendo largas.

3.3.2. Reacciones Químicas. Las reacciones químicas que ocurren durante el proceso demanufactura del Rayón Viscosa son:lo. La Cc adosa se trata con solución de Hidróxido de Sodio (NaOH) al 17-18%

y se convierte en Socia-Celulosa:

2o. La Soda-Celulosa se hace reaccionar con Bisulfuro de Carbono para formarel Xantato Sódico de Celulosa. Se usa de 25 a 30% del peso de Celulosa con Bisulfuro deCarbono (CS2) para la reacción:

CH.OH CH.O.C.S.S.Na

CH – + CS2 —+ – CH

CH O

CH2OH

3o. El Xantato Sódico de Celulosa es disuelto en Soda Cáustica diluida para daruna solución que se le denomina "Viscosa" con 8 a 9% de Celulosa, 5 a 6%de Soda Cáusticay 2,0 a 2,5% de Azufre.

4o. La viscosa se madura, según la siguiente reacción:

CH.OH CH.ONa

CH –

49

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de la Acetona.d y así poderlor requeridódebe permitirón es de 500

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111111 11

ffliuime

CH.OH CHOH

CH — + CS2 + 1/2 Na2 SO4

r.a

S

S3 C6 H904 -04

+ 2nH20 --> C16 H21 012 (OH» OC

+ 2nCS2 + 2nNaOH

SNa n SNa n

5o. La Viscosa madura se extruye en un baño coagulante de Acido Sulfúrico,el cual regenera la Celulosa en forma de filamentos largos:

CH.OH CHO.C.S.S.Na

CH— + 1/2 H2SO4 --> — O — CH

CH O

CH2 OH

A lo largo de estas reacciones se sucede una depolimerización de lá molecula de Celulosa,la cual en la pulpa consta de 900 a 1.000 residuos de Glucosa; luego el sazonamiento de laSoda-Celulosa baja a 400-500 y cuando se regenera el filamento contiene de 270 a 320residuos de Glucosa.

o yo ®

ti

155-31 ®

Fig. No. 38.

3.3.3. Proceso de manufactura. El proceso de manufactura se presenta en forma esque-mática en la figura 38 a continuación.

1-Hojas de pulpa 2-Prensa de impregnación3-Molino 4-Cajas de sazonamiento

50

LasAcicSulf

Lasvert17deBet.y30 1

Losper]celtxande 1Se 1dedor.dilupor

LahasideproY 91boqEst¿ticic

El 1tu icSullorifo bpargirapar,mir

f ocvaride

Y 2Posel •corcor

3.3

cides c

—O — CH

5-Revolvedor de xantogenación

6-Disolvedor de xantato7-Soda diluida 8-Tanques de maduración

9-Filtros prensas 10-Deareador

11-Filtros prensas 12-Hilatura continua

13-Hilatura de cuerda para llantas 14-Hilatura en pote centrífugo

1 5-Hilatura de fibra cortadaLas materias primas principales son Pulpa de Madera, Soda Cáustica, Bisulfuro de Carbono,Acido Sulfúrico, Sulfuro de Sodio, Hipoclorito de Sodio, Sulfito de Sodio y AceitesSulfonados.Las hojas de pulpa se cargan a la prensa de impregnación, provista de planchas de aceroverticales y con perforaciones. Se introduce a la prensa una solución de Soda Cáustica de17 a 18% durante 1/2 a 2 horas y a una temperatura de 25 a 30 0C. Luego se extrae el excesode Soda Cáustica que se torna color marrón por la disolución de las hemicelulosas (Alfa yBeta Celulosas). Las hojas se comprimen para extraer más aún el exceso de Soda Cáusticay luego se dejan caer a un molino desfibrador (3) con refrigeración, donde se muelen por30 minutos a 20 -250C.

Los trocitos de Soda Celulosa se almacenan en cajas metálicas de sazonamiento (4) dondepermanecen en un cuarto a 30 0C. por varias horas para promover la depolimerización de lacelulosa. Después del envejecimiento suficiente, el álcali-celulosa se carga al revolvedor dexantogenación (5) que es un tambor hexagonal con refrigeración para contrarrestar el calorde la reacción con el CS2 el cual se agrega en proporción de 25 a 30°/a del peso de celulosa.Se hace girar el tambor de 1 a 2 RPM por una a dos horas y allí se produce el Xantato Sódicode Celulosa, el cual se vuelve de color amarillo naranja. Ri Xantato se vierte en las mezcladoras (6) que también tienen refrigeración a 14 -/C.vallvse, dirneive con uPlia .evoietondiluida de Soda Cáustica de 2 a 3%y se obtiene el producto llamado "viscosa", llamado asípor tener el aspecto y el color de la miel.La viscosa se lleva a tanques de maduración (8) a temperatura controlada de 20 a 250C.hasta cuando la Celulosa se acerque al punto de coagulación. Cuando se ha logrado el indicede coagulación deseado, se filtra por filtros prensas usando tela de algodón o de nylon-poli-propileno (9), luego se dearea en tanques al vacío (10) para eliminar las burbujas de airey gases. Se hace una última filtración por foltros prensas (11) antes de llevar la viscosa a lasboquillas de extrusión para diferentes tipos de fibras de viscosa que se pueden fabricar.Estas boquillas son generalmente de metales nobles (Rodio-Platino) y tienen numerososticios por donde se extruye la viscosa

El baño coagulante, (ver figura No. 39 ) que se usa para regenerar la Celulosa está consti-tuido por un 9 a 12% de Acido Sulfúrico, 17 a 21% de Sulfato de Sodio y de 1 a 3°/a deSulfato de Zinc con una temperatura de 450C. Los diferentes filamentos que salen de losorificios de cada boquilla se reúnen en un hilo y se recogen en un pote contrífugo (14),o bien se hace cuerda para llantas (13) o se produce fibra cortada a 1-3" de longitud /15)para mezclar con otras fibras. Vale la pena señalar que el pote centrífugo antes referido.gira a una velocidad de 7.000 RPM. La fuerza centrífuga obliga al hilo a ovillarse contra lapared interna del pote o balde, formando una "torta" que a medida que crece a un deter-minado tamaño es descargada. Este proceso es continuo y la producción no puede detenerse.

Todos los tipos de fibras, requieren lavados para purificarlos, y estos lavados consisten devarios baños que en su orden son: a) Lavado con agua ácida. b) Desulfurado con Sulfurode Sodio. c) Blanqueo con Hipoclorito de Sodio. d) Lavado con Anticloro (Sulfito de Sodio)y 2) Acabado con Aceites Sulfonados Minerales o con Oleatos en caso de fibra cortada.Posteriormente, la bobina o torta se centrifuga y la fibra cortada se comprime para eliminarel exceso de acabado y agua. Se pasan por secadores de túnel o de cámaras hasta uncontenido de 6 a 9% de humedad. Se acondicionan a 11% de regain y se embobinan enconos, madejas o carretes para ser enviados.a los clientes.3.3.4. Propiedades del Rayón Viscosa.

lo. Tenacidad y Elongación. El rayon viscosa es razonablemente fuerte, su tena-cidad es cerca de 2.6 gr/denier y en húmedo de 1.4 gr/denier y su elongación la rotura en secoes de 15% y en húmedo de 25°/o.

2nNaOH

do Sulfúrico,

+- 1/2 Na2SO4

de Celulosa,miento de la

270 a 320

tia esque-

51

Fig. No. 39. Un operario vigila la formacióndel hilo de Rayón en el baño coagulante.

2o. Contenido de humedad. Bajo condiciones estandares (65% HR y 70 0F) elcontenido de humedad del rayón viscosa es de 12 a 13%.

3o. Elasticidad. La elasticidad del rayón viscosa no es alta, si se estira y se sueltadespués, no retorna a su longitud original del todo.

4o. Densidad. Su gravedad específica es 1.52 lo cual es alto en comparación conlana y acetato de celulosa.

5o. Propiedades eléctricas. Debido a su alta habilidad para absorber humedad noes por si un aislador pero no es propenso a desarrollar cargas estáticas como sucede con elacetato de celulosa.

6o. Resistencia a la luz. Cuando se expone a la luz se forma fotocelulosa y seproduce un debilitamiento de su resistencia.

7o. Resistencia al calor. El proceso de aplanchado del rayón viscosa es satisfac-torio aunque si se expone a altas temperaturas se vuelve amarillo.

80. Propiedades químicas. Los ácidos le atacan más rápidamente que al algodón,pero el factor que influye más es la temperatura en este caso. A altas temperaturas la viscosase carboniza

9o. Suceptibilidad al blanqueo. El hipoclorito de sodio neutro es el más efectivopara la viscosa de rayón. También el Permanganato de Potasio seguido de una soluciónde Bisulfito de Sodio. El Peroxido de hidrógeno se puede usar por debajo de 550C.

10o. Solventes. Los solventes usados para lavado en seco no atacan la fibra derayón viscosa.

llo. Teñido. La gran afinidad del rayón viscosa por el agua, permite que se dejeteñir fácilmente con colorantes directos para algodón; muchos, de los cuales tiñen aun mejoral rayón viscosa que al algodón. Sin embargo algunas variaciones en las propiedadesfísicas se pueden presentar al teñir, probablemente por el hinchamiento que debilita lahomogeneidad de la fibra.

52

3.3.5. Usos. Con Rayón Viscosa se hacen telas finísimas, estampadas o tenidas en combi-naciones multicolor, ya que esta fibra, como se dijo anteriormente, es de muy

fácil coloración. También, del Rayón se hacen Telas, Crepes, Voiles, Rasos y Terciopelos;Blusas, Corbatas, Cortinados de gran lujo, etc.Mezclando Rayón con lana o algodón se hacen telas de nuevas y superiores cualidades.

3.4. RAYON CUPRAMONIO.3.4.1. Constitución Química. Igual que la viscosa, el Cupramonio es celulosa regenerada.

La Celulosa se disuelve, su solución se extruye y se reprecipita la Celulosa de susolución. La constitución química de las moléculas de Rayón Cupramonio se representapor la misma fórmula que se dió para el Rayón Viscosa.

CHOH-CHOH

H - O - Cfi CH OH

CH----0/

Es característico del proceso para hacer Rayón Cupramonio que la solucion deba contenercantidades definidas de Cobre y Amonio, de otro modo, la Celulosa no se disuelve apropia-damente en ella. Las cantidades acostumbradas son cerca de 4 0/0 de Cobre, 29%de Amonio y9 a 10% de Celulosa en la solución que se va a extruír. El ión Cupramonio contenido en lasolución le imparte a esta un intenso color azul.3.4.2. Proceso de manufactura. Las hilazas de algodón (linters) son el material que se usa.

comúnmente y estas se purifican por ebullición a 1500C. con Soda Caústica diluida,luego se blanquean con hipoclorito de Sodio. La Celulosa purificada se mezcla con lascantidades necesarias de Amonio Acuoso, Sulfato de Cobre básico y Soda Cáustica; tododebe mezclarse hasta obtener una solución clara azul. Esta solución se diluye hasta quecontenga 9 a 10',0 de Celulosa, se dearea, se filtra por mallas de níquel. Es de destacarseque la solución de Cupramonio puede extruírse bien cuando está aún recién preparada o biendespués de un almacenamiento prolongado porque no se descompone. La solución esbombeada al cuarto de extrusión donde se efectúa la regeneración por uno de dos métodos.

3.4.2.1. Método Clásico. La solución deareada y filtrada se dosifica por una bomba a unaboquilla de níquel y se extruye por orificios de unos 0.8 mm. de diámetro.

Al fondo de la boquilla A, Figura 16, hay un embudo de vidrio B al cual se hace llegaragua blanda corriente por C. Este agua remueve mucho del amoniaco y algo del cobre

-1>

Fig. No. 40. Diagrama del Método Clásico.

y precipita la Celulosa en forma de filamentos plásticos, conteniendo aún algo de cobre yun poco de amoniaco. Por otra parte de la boquilla de níquel A, al fondo del embudo B,el filamento recibe un considerable estiramiento causado por el tiro de caída, de dondeproviene el nombre de "proceso de hilado por estiramiento". Después de dejar el embudolos filamentos son pasados alrededor de un rodillo guía D para separar gran_ parte del agua ,

53

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• • ••

•••

•

de hilatura que arrastran y luego se pasan en forma envolvente por un rodillo E que girasobre una pequeña canal de ácido donde se completa la coagulación de la Celulosa,convirtiendo el cobre y el amonio que aún quedan en el hilo a sulfatos de cobre y deamonio. En el Método Clásico el hilo se enrolla en madejas F o en carretes o en tortas.Las madejas o tortas, deben lavarse con agua pura para remover el sulfato de cobre y elsulfato de amonio además del ácido libre. Las madejas lavadas son lubricadas y secadasy luego se rebobinan y tuercen quedando listas para ser despachadas a los clientes.

3.4.2.2. Método Continuo Moderno. Este método fué desarrollado durante la guerramundial de 1939 -1945. Hasta cuando se llega al enjuague ácido, el hilo se

extruye igual que en el método clásico, pero de ahí en adelante, en lugar de recogersesobre carretes o madejas, el hilo es guiado en forma de una lámina de 575 cabos (se usan575 boquillas) por una serie de lavados (Baños F y G) en la Figura No. 41 y luego lucri-cados y secados en secadoras H, siendo posteriormente embobinado sobre carretes. Elcarrete puede usarse directamente o pueden tomarse 4 a 5 carretes para hacer uno soloantes de enviar al cliente.

A

•

• ••• • e•

Fig. No. 41. Método Continuo Moderno.

3.4.3. Propiedades. Como el Rayón Cupramonio es celulosa regenerada, tiene propiedadessimilares en muchos aspectos a las de la Viscosa, sin embargo, las principales

diferencias son:lo. La finura del filamento, para Cupramonio se tiene un promedio de 1.2

deniers/filamento. En algunos casos especiales se logra hasta 0.4 denier/filamento.

2o. La tenacidad es casi tan alta como la de Viscosa, de 2,3 gr/denier. En húmedoes de 1.2 gr/denier.

3o. La elongación es cerca de 15% en seco y de 25% en húmedo.

4o. El contenido de humedad es de 1 1''‘o a condiciones estandares, similar al dela Viscosa.

5o. Arde rápidamente, se carboniza a 1800C. o más y es degradado y debilitadopor exposición a la luz solar. Se hincha fácilmente en agua. Es atacado por los álcalis fuertespero estable a los álcalis débiles. Es atacado por algunos oxidantes. Blanquea con hipocloritode sodio o peróxido de hidrógeno.Para su teñido se usan colorantes directos igual que para la Viscosa.

54

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s y secadasos clientes.

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pilar al de

debilitad oilis fuertesiipoclorito

CAPITULO IV

Fibras de Polímeros Sintéticos.

4.1. Fibras Poliamídicas.

4.1.1. Obtención de las Poliamidas.

4.1.1.1. Obtención del Nylon-6,6.

4.1.1.2. Polimerización del Nylon-6,6.

4.1.1.3. Poliamidas obtenidas a partir de lactamas de aminoácidos.

4.1.1.4. Obtención de la Caprolactama.4.1.1.5. Polimerización de la Caprolactama.

4.1.2. Hilandería del Nylon-6,6.

4.1.3. Propiedades del Nylon.4.1.3.1. Propiedades Térmicas.

4.1.3.2. Propiedades Opticas.4.1.3.3. Propiedades Mecánicas.4.1.3.4. Propiedades Eléctricas.4.1.3.5. Resistencia a la Luz.4.1.3.6. Propiedades Opticas.

4.1.4. Usos del Nylon.4.2. Fibras Poliestéricas.

4.2.1. Obtención de los intermedios.

4.2.2. Proceso de Polimerización.

4.2.3. Proceso de Hilandería.

4.2.4. Propiedades.4.2.4.1. Propiedades físicas.

4.2.4.2. Propiedades de recuperación.4.2.4.3. Propiedades Térmicas.

4.2.4.4. Teñido.

4.2.4.5. Propiedades Químicas.

4.2.4.6. Propiedades Biológicas.4.3. Fibras Acrílicas.

4.3.1. Definición.

4.3.2. Obtención del Acrilonitrilo.

4.3.3. Polimerización del Acrilonitrilo.

4.3.4. Hilandería del Polímero.

4.3.4.1. Proceso en Húmedo.

4.3.4.2. Proceso en Seco.

4.3.5. Propiedades y usos.

4.3.6. Identificación

4.3.7. Productores de Fibras Acrílicas.

4.4. Fibras de Polipropileno.

4.4.1. Obtención del Propileno.

4.4.2. Estructura química del Polipropileno.

4.4.3. Polimerización del Propileno.

4.4.4. Hilandería del Polipropileno.

4.4.5. Propiedades.

4.4.5.1. Densidad.4.4.5.2. Absorción de Humedad.4.4.5.3. Propiedades mecánicas.4.4.5.4. Propiedades Térmicas.

4.4.5.5. Resistencias a los Rayos Solares.4.4.5.6. Resistencia a los agentes químicos.

4.4.5.7. Usos.

4.5. Fibras Vinílicas.

4.5.1. Obtención de Cloruro de Vinilo.

4.5.2. Polimerización del Cloruro de Vinilo.

4.5.2.1. Polimerización por Emulsión.

4.5.2.2. Polimerización por Suspensión.

4.5.3. Proceso de Hilandería.

4.5.4. Propiedades.

4.5.5. Usos y Aplicaciones.

4.6. Fibras de Vinilideno.

4.6.1. Obtención de Cloruro de Vinilideno.

4.6.2. Métodos de fabricación de la fibra.4.7. Fibras de Poliuretano.

4.7.1. Obtención de los Uretanos.

4.7.2. Puntos de fusión de algunos Poliuretanos.4.8. Fibras de Vidrio.

4.8.1. Definición y composición de las fibras.

4.8.2. Manufactura de las fibras de vidrio.

4.8.3. Propiedades.

4.8.4. Aplicaciones y Usos.4.9. Fibras Fluorocarbonadas.

4.9.1. Propiedades químicas

4.9.2. Propiedades térmicas.

4.9.3. Propiedades eléctricas.

4.9.4. Características textiles de la fibra.

4.9.5. Aplicaciones y Usos.

6.

NYLON 6,6 NYLON 6. ,...• .

.. ..* N . ;

...4. .0

41.

1.i. y.• :••• :

ah glati

'. ,

4.1. ,FIBRAS DE POLIAMIDAS.

Las, Poliamidas han sido el género de polímeros de condensación más estudiados y quemás y mejor desarrollo industrial han alcanzado hasta los actuales momentos.

4.1.1. Obtención de las Poliamidas. Se conocen varias rutas para la obtención de laspoliamidas pero las técnicas más importantes parecen ser:

lo. Por reacción de un diácido y una , diam-ina de la cual se obtiene el( Nylo•-6,6.

2o. Por autocondensación del aminoácido de la cual se obtiene el Nylon-11.

3o. A partir de la lactama de un aminoácido, de la cual se obtiene el Nylon-6.Todas ellas se fundan en reacciones orgánicas destinadas a producir grupos del tipo —CONH.

4.111. Obtención del Nylon-6,6. Como se ha visto anteriormente se obtienen porcondensación de un diácido y una diamina, tales como el Acido Adípico y el

57

Hexametileno Diamina respectivamente. Estos intermedios pueden obtenerse del Fenoly éste a su vez puede obtenerse por tres rutas diferentes, a saber:

lo. Por Sulfonación del Benceno2o. Por Hidrólisis del Clorobenceno, y3o. A partir del Cumenolo. Obtención del Fenol a partir del Benceno. El Benceno se trata con Acido

Sulfúrico para obtener el Acido Benceno-sulfónico, el cual por tratamiento con Sulfitode Sodio produce el Benceno-sulfonato de Sodio. A partir de éste, por tratamiento conSoda Cáustica (a 300 0C.), se obtiene el Fenato Sódico el cual se acidifica con AnhídridoSulfuroso separándose el Fenol.

C6 H6 + H2SO4 —4 C6 Hs SO3 H + H2 OBenceno Acido Benceno-sulfónico

2C6 Hs SO3 H + Na2 SO3 —> 2C6 Hs SO3 Na r SO2 + H2OSulfito de Sodio Benceno-sulfonato de Sodio

C6 H5S03 Na + NaOH —> Cs Hs ONa + Na2 SO3 + H2 OFenato Sódico

2C6 Hs ONa + SO2 + H2 0 —› 2C6 Hs OH + Na2 SO3Fenol

2o. Obtención del Fenol a partir del Clorobenceno. La Hidrólisis del Cloro-benceno puede efectuarse empleando Soda Cáustica o con vapor de agua en presencia deun catalizador (proceso Rashing).

El Clorobenceno se obtiene a partir del Benceno y Cloro o de Benceno y Acido Clorhídrico:

C6H6 + C12 C6HsC1 HC1Benceno Cloro Benceno

C6 H6 4 HC1 + 02 (aire) —> C6 Hs Cl + H2 O

pi!~ ,kt"w! -111~0minr-. ••1410-1%. •

. 111.1iMe tertro-~ 1/113117517riigejoie 1`11.1—

weij -7s;fg0" bry:%11;1!

to -

. ,t:\ \

"Fig. No. 42. Vista de una Planta integrada de fabricación de Nylon.

58

del Cloro-esencia de

)rhídrico:

Fig. No. 43. Vista de una vasija de reacción.

con Acidoon Sulfitociento conAnhídrido

Fig. No. 44. Vista de un salón de control de procesos.

En el proceso cáustico, la hidrólisis se efectúa a 4.000 -5.000 psi y a 700 0F. obteniéndoseEl Fenato Sódico el cual se trata con Acido Clorhídrico para obtener el Fenol.

C6 Hs Cl + 2NaOH --> C6 Hs ONa + NaC1 + Hz OCloro Benceno Fenato Sódico

Hs ONa + HC1 C6 Hs OH + NaCIFenol

5911 1

60

+ 3H2

OH

HC/ CHI II

HC /CH

CHFenol

OH

CH

H2 C/ \

CH2I

H2 C\ / CH2

CH2Ciclohexanol

En el proceso Rashing, la hidrólisis se efectúa a 500 0C. empleándose Sílice como catalizador:SiO2

C6lisC1 + H2O--> C61-1s0H + HClFenol

3o. Obtención del Fenol a partir del Cumeno: El proceso comercial más re-ciente para la manufactura del Fenol comprende la oxidación en fase líquida del Cumeno(a 1300C.) obteniéndose Hidroperóxido de Cumeno el cual se descompone por ac-ción de un ácido para obtener Fenol y Acetona. El Cumeno se prepara por alquilacióndel Benceno con Propileno:

C6 H6 + C3 H6 - C6 Hs CH(CH3)2Benceno Propileno

C6 H5 CH(CH3 )2 + 02 —› C6 Hs C(CH3)2 00HHidroperóxido de cumeno

Cs Hs C(CH3)200H --,7> C6 H s OH + (CH3)2C0Fenol Acetona

Obtenido el Fenol, por cualquiera de los procedimientos anteriores, se reduce conHidrógeno en fase vapor y en presencia de un catalizador, para obtener el Ciclohexanol,el cual se oxida con Acido Nítrico concentrado o con aire, hasta obtener el Acido Adípicocon rompimiento del anillo, según las siguientes reacciones:

OH

CH

H2C CH2I I

H2C CH2 + 202 > HOOC(CH2)4COOH + H2O

\CH/ 2

Acido Adípico

CiclohexanolEl Acido Adípico, uno de los dos intermedios indispensables para la condensación delNylon-66, se trata con Amoníaco para obtenerse la Adipamida:

HOOC(CH.2)4COOH + 2NH3 --> NH2CO(CH2)4CONH2 + 2H20Acido Adípico Amoníaco Adipamida

La Adipamida se deshidrata en presencia de un catalizador apropiado produciendo el'liudo correspondiente:

NH20C(CH2)4CONH2 ---> N=-C(CH2)4 CEN + 2H20

Adipamida AdiponitriloEl Adiponitrilo se reduce con Hidrógeno, en presencia de un catalizador de Cobalto oNíquel, en una autoclave, obteniéndose la Hexametileno-Diamina:

N=C(CH2)4C E--N + 4H2 -> H2N(CH2)6NH2

Adiponitrilo Hexametileno-Diamina

61

Otros métodos de fabricación. Además de la vía Benceno Fenol-Ciclohexanol, descritaanteriormente, y que constituye la vía clásica o tradicional de síntesis de los intermediosAcido Adípico y Hexametileno-Diamina, se han desarrollado otros métodos de fabrica-ción a través del Butadineo y del Furfural, los cuales ocupan gran importancia comercialespecialmente en los Estados Unidos.

lo. A través del Butadieno. El Butadieno se obtiene a partir del Petróleo odel Alcohol Etílico proveniente de melazas.La síntesis consiste en clocar el Butadieno para obtener el Dicloro-buteno que es converti-do a Di-cianobuteno con Acido Cianhidrico. Luego se hidrogena el Di-cianobutenopara obtener el Adiponitrilo:

CH2 CH CH =CH2 + C12 —+ C1CH = CH CH2 CH2 C1Butadieno Dicloro-buteno

C1CH =CH CH2 CH2 C1 + HCN - CN CH= CH CH2 - CH2 -CNDicloro buteno Di-cianobuteno

CN CH=CH CH2 -CH2 CN + H2 CN(CH2)4 CNDi-cianobuteno Adiponitrilo

El Adiponitrilo se convierte en Acido Adípico o Hexametileno-Diamina por hidrólisiso por reducción respectivamente.

2o. A través del Furfural. Se basa esta síntesis en que una gran variedad desubproductos agrícolas contienen pentosanos a partir de los cuales, por hidrólisis, sepuede producir pentosa y de esta, Furfural, por tratamiento con ácido sulfúrico diluído:

H2SO4CH2 OH(CHOH)3CHO ---> HC - CH + 3H20

Pent osaHC CH

\ /0

FurfuralEl Furfural es convertido a Furano que al hidrogenizarse origina el Tetrahidrofurano:

HII - 111 CO H9 F1-1

+ H2H2 1 - H2

HC C - CHO -- --> HC CH ---> H2 C CH2\ / \ / Ni \ /

Furfural Furano TetrahidrofuranoEl Tetrahidrofurano por tratamiento con Acido Clorhídrico lo convierte en 1,4 Diclo-robutano, el cual al reaccionar con Cianuro de Sodio, produce el 1,4-di-cianobutano yAdiponitrilo, como sigue:

H2 - CH2• 2HC1 - 2NaCN

H2 CCH2 • - Cl(CH2)4C1 - ---> CN(CH2)4CN + 2NaCN/

O 1,4-di-clorobutano Adiponitrilo

TetrahidrofuranoDe igual manera, como se explicó anteriormente, a partir del adiponitrilo se obtiene elácido adipico y el hexametileno-diamina, en la siguiente forma:

CN(CH2 )4 CN + H2 0 --> COOH(CH2 )4 COOHAdiponitrilo Acido Adípico

H2Ni

CN(CH2 )4 CN NH2 (CH2 )6 NH2

Adiponitrilo Hexametileno-diamina

dor:

re-:enoac-

.7ión

connol,pico

del

el

o

IP

4.1.1.2. Polimerización del Nylon-6,6. Antes de la Polimerización hay una etapaimportante denominada de preparación de la sal de Nylon.

La preparación de la sal de Nylon consiste en diluír el Acido Adipico con Agua o conMetanol. Si se emplea el Agua como agente de dilución se obtiene una solución acuosa dedicha sal, en cambio, si se emplea el metanol se obtiene la sal en forma cristalina.Seguidamente se purifica la sal y se agrega a la Hexametileno-Diamina pura en cantidadesaproximadamente equivalentes. Ocurre inmediatamente una reacción formándose unasal neutra, el Adipato Diamónico de Hexametileno (Sal de Nylon) que puede ser recris-talizada para dar exactas cantidades equivalentes de los dos reactantes, requisito impor-tantísimo para iniciar la polimerización. La sal así formada se usa como material de partida.

Existen dos procedimientos para la polimerización del Nylon-6,6 según que la sal deNylon esté en solución o en forma cristalina. Ellos son:

lo. Partiendo de solución de Sal de Nylon. La solución concentrada de Salde Nylon (al 60'10 aproximadamente) obtenida de los evaporadores pasa a autoclaves endonde se verifica la eliminación final del agua de dilución y se realiza la polimerización.En ella se añade entre 0,6 a 1,2% (Molar) de Acido Acético el cual actúa como estabili-zador de las cadenas moleculares. También se agrega Dióxido de Titanio al 0,3°/0, el cualactúa como agente opacificante.

En la autoclave se expulsa primero que todo el aire, luego se suministra calor y la presiónse eleva lentamente hasta 250 psig, punto en el cual el suministro de calor se disminuyecon el objeto de mantener esta presión, en tanto que la temperatura continúa elevándosedebido al aumento de la concentración. Operando a 250 psig el punto de ebullición dela cochada se eleva suficientemente para producir la precipitación del polímero en fasesólida. A 2750C. la presión se deja descender nuevamente hasta llegar a presión atmós-ferica y la cochada se deja durante media a una hora a una temperatura de 270 0C., parapermitir la salida de vapor de agua. Finalmente se introduce Nitrógeno para sacar la co-chada en forma de una cinta, por extrusión del polímero. Esta cinta se recoge en unavolante, provisto de unos rociadores de agua fría, y de ahí pasa a una máquina cortadora,donde se corta en pequeños trozos (Chips).

2o. Partiendo de la Sal de Nylon cristalizada. La Sal se funde en las autoclavesen una atmósfera inerte, después de haber añadido el estabilizador. El Nitrógeno es elgas más conveniente para obtener la atmósfera inerte, y eliminar el aire contenido endichas autoclaves. Mientras se verifica la polimerización el agua se separa de la sal esca-pándose por la parte superior del reactor. Las condiciones más adecuadas para la poli-merización son: 2800C. de temperatura durante cuatro horas. El polímero fundido,mantenido a esta temperatura, se saca en forma de cinta, como se explicó anteriormente.

El ácido adípico, HOOC(CH2 )4 COOH, y la hexametileno-diamina H2 N(CH2 )6 NH2 ,

reaccionan entre sí, según las siguientes reacciones que muestran claramente el procesoquímico de formación del Nylon 6,6:

O OII II

H2 N -(CH2 )6 -NH2 + HO-C (CH2 )4 -C -OH —>

Hexametileno-diamina Acido adípico

O O

11 II H2 N -(CH2 )6 -NH2H2 N-(CH2 -NH C-(CH2 >4 -C OH

O OO OII II HO -C-(CH2)4 -C -OH

H2 N -(CH2)6 - -NH-C (CH2)4 -C- -NH (CH2)6 -NH

O O O OII II II II

H2N (CH2)6 -NH-C (CH2) -C NH (CH2)6 NH C (CH2)4 C -OH

62

4.1.1.3. Poliamidas obtenidas a partir de lactamas de aminoácidos. Este procedimiento,muy empleado en Europa (Holanda y Alemania, especialmente Alemania que lo

llevó a una avanzada posición durante la Segunda Guerra Mundial) y últimamente en elJapón y los Estados Unidos, es igual al anterior con la variante de que no se emplea elaminoácido como tal, sino su lactama, que es una especie de anhídrido interno:

NH (CH2)s —COL_ _ Caprolactama

esta, en presencia de agua. produce el aminoácido correspondiente, de donde finalmentepolicondensa la poliamida denominada Nylon 6.4.1.1.4. Obtención de la Caprolactama. La Caprolactama, materia prima fundamental

Fig. No. 46. Torres de destilación de Caprolactama en unaplanta de la BASF en Alemania.

para la condensgción del Nylon 6, puede obtenerse del Benceno por cuatro rutasdiferentes. En tres de ellas se tiene el Ciclohexano como compuesto intermedio, en tantoque en el cuarto proceso el compuesto intermedio es el Fenol. También puede obtenersela Caprolactama partiendo del Tolueno. Una breve descripción de cada una de ellas escomo sigue:

lo. A partir del Benceno. La primera ruta es la que arranca con el Ciclohexanoobtenida por oxidación catalítica del Benceno. A partir del Ciclohexano, por oxidaciónse obtiene el Ciclohexanol, el cual se purifica por destilación y luego se deshidrogenacatalíticamente, usando cobre como catalizador para producir la cetona correspondiente:

OH OI II

CH C/ \ / \

H2 C CH2 Cu H2 C CH2I l

--->I l + H2

H2C CH2 H2C CH2\/ \/CH2 CH2

Ciclohexanol Ciclohexanona

La Ciclohexanona se hace reaccionar con Hidroxilamina, obtenida a partir de Nitriloy Bisulfito de Sodio o de Amonio y Dióxido de Azufre, obteniéndose la Ciclohexa-nona-Oxima:

O NOH11

H2 C/ \

CH2 H2 C/ \

CH2

H2 C CH2I I Ti + NH2 off__ + H2 0

CH2 \¿-12Ciclohexanona Hidroxilamina Ciclohexanona-oxima

La Ciclohexanona-Oxima mediante tratamiento con Acido Sulfurico experimenta la im-portante y conocida transposición de Beckmann (descubierta en 1886) que la convierteen un éster del caprolactama, el cual se saponifica con Amoníaco obteniéndose el E-Amino-caprolactama y Sulfato de Amonio como subproducto:

NOHII

C/\

H2 CCH2I i H2 SO4 NH(CH2)s CO + (NH4)2 SO4 Sulfato de

H2 C CH2 1 Amonio\ /CH2 Sub-producto

Ciclohexanona-Oxima E-amino CaprolactamaEste se purifica por destilación y luego se cristalizaLa segunda ruta es la que arranca del Nitrociclohexano que se obtiene por nitración delCiclohexano o como un sub-producto de la oxidación, con Acido Nítrico, el Ciclohexano.

La Caprolactama se produce directamente por reducción-deshidratación del Nitroci-clohexano utilizando Acido Borofosfórico como catalizador.

Este proceso parece haber sido desarrollado por la Du Pont en los Estados Unidos.

La_ tercera ruta, teniendo el Ciclohexano como compuesto intermedio común, consisteen el tratamiento del Ciclohexano con Cloruro de Nitrosilo y bajo la influencia de la luzultravioleta emitida por lámparas de vapor de mercurio. Este procedimiento resulta en laobtención del Ciclohexanona-Qxima:

NOHII

CH2 C

H2 C/ \

CH2 H2 C/ \

CH2I I + NoCI luz----› 1 1 1 HCl

H2 C CH2 Clouro de ultravioleta H2 C CH2 Acido\

CF12 Nitrosilo \C/12 Clorhídrico

Ciclohexano Ciclohexanona-Oxima

El Acido Sulfúrico necesario para' verificar la transposición de Beckmann proviene de lareacción entre el Acido Nitrosilsulfúrico y Cloruro de Hidrógeno, empleados para obtenerel Cloruro de Nitrosilo.

NOHSO4 HCl NOC1 + H2504Acido Nitrosil Sulfúrico Acido Clorhídrico Cloruro de Nitrosilo Acido Sulfúrico

El Acido Nitrosilsulfúrico se obtiene por la reaccion entre el Tetróxido de Di-Nitrógeno yOleum, en tanto que el Tetróxido de Di-Nitrógeno se obtiene por oxidación con airedel Amoníaco.

Esta importantísima síntesis está siendo utilizada por la Toyo Rayón en el Japón, yresulta particularmente interesante por la economía del proceso.

dimiento,Tia que lonte en el:mplea elinterno:

nalmente

damental

atro rutasen tanto

)btenersee ellas es

lohexano)xidaciónlidrogenamdiente:

+ H2

a

Nitriloclohexa

65

66

CH3

Tolueno

+ 1 -1/202 —4Oxígeno

COOH

/I\+ H2O

Acido Benzoico

Cuarta ruta a partir del Fenol. Los pasos para ia obtención del Fenol a partir del Bence-no han sido descritos anteriormente, al tratar el Nylon-6,6.El Fenol, en estado líquido o gaseoso, se reduce con Hidrógeno en presencia de uncatalizador, obteniéndose Ciclohexanol:

OH

CH/\

3H2 CatalizadorH2 C CH2

I IH2 C CH2

\C/H2Ciclohexanol

Obtenido el Ciclohexanol, se obtiene la Caprolactama en acordancia a los procedimientosdescritos anteriormente.

20. A partir del Tolueno. En éste proceso el Tolueno es oxidado con airepara formar el Acido Benzoico, y éste por hidrogenación origina el Acido Hexahidroben-zoico:

COOH

3H2 /HC\ CH2Hidrógeno H2 C

I I

Acido Benzoico H2C CH2\/CH2

AcidoHexahidrobenzoico

Para la obtención de la Caprolactama, el Acido Hexahidrobenzoico puede tratarse conAcido Nitrosilsulfúrico, Cloruro de Nitrosilo o Monóxido de Nitrógeno. Sin embargo, elreactivo más práctico para uso en escala comercial es el Acido Nitrosilsúlfurico, cuyaobtención se describió anteriormente.El Acido Hexahidrobenzoico es nitrosado a 55-600C. en presencia de Acido Sulfúrico,formándose la Caprolactama con desprendimiento de gas carbónico. Las reacciones sonlas siguientes:

COOH N OHI II

CH

H2C/ \CH2 H2C/ \

CH21 1 + NOHSO4 – 1 1 -+ CO2 -1 H2SO4

H2C CH2 H2C CH2\/ \/CH2 CH2

Acido Acido CiclohexanonaHexahidrobenzoico Nitrosilsulfúrico Oxima

COOH

OH

Fenol

ce- NOHIIC

un\H2 C/CH2

I 1 H2 SO4 NH-(CH2)s --CO_IH2 C\ / CH2

CH2Ciclohexanona-Oxima Caprolactama

Este último proceso ha sido desarrollado en Italia por la Snia Viscosa y parteprimas evidentemente más baratas que el Fenol y el Benceno.4.1.1.5. Polimerización de la Caprolactama. Para la obtención del Nylon 6,

rización se lleva a cabo generalmente a presión atmósferica oalimentando gradualmente solución de Caprolactama a reactores tubulares donde

OS de la reacción se caliente lentamente hasta alcanzar la temperatura de equilibrio.requiere preparación previa de la sal y básicamente el proceso consiste en abrir

ren-

de la lactama para lo cual se emplea simplemente el agua en cantidadesEn este caso el agua actúa como catalizador de la reacción.También se emplea, al igual que en la polimerización del Nylon-6,6, Acidoactúa como un genuino estabilizador de reacción y controlador del pesopolímero y por consiguiente de la viscosidad. El Acido Acético se incorporaminales de la cadena polimolecular, interrumpiendo el crecimiento de

Un tercer ingrediente utilizado en la polimerización del Nylon-6 es el Dióxidoque sirve como agente opacificante.

Es importantísimo el mantenimiento durante el proceso de una atmósferacomo el Nitrógeno, y la elim(nación del oxígeno pues el Nylon-6, así comolas Poliamidas, son muy sensibles a la oxidación por encima de 1000C.

Durante el proceso de polimerización se mantienen temperaturas de operaciónde 240 hasta 2700C.

Al final de la polimerización se extruye el polímero, se solidifica en un bañofinalmente se granula.El polímero se equilibra con 9 10°/0 aproximadamente de material no(extractables) que es preciso extraerlos porque dificulta la operación del hilado.ción se realiza lavando el material granulado en agua caliente.Las siguientes reacciones ocurren:

NH-(CH2 )s - CO + H2O HOOC -- (CH2 )s --NH21

Lactama del Acido Acido AminocaproicoAminocaproico 2500C.Caprolactama

HOOC -(CH2 )s -NH2 -t- CO-(CH2 )s -NH -I

O OII II

HO-[-C-(CH2 )s -NH-C-(CH2 )s -NH-]n-H

La acción del Acido Acético como estabilizador o controlador del tamañose explica de la siguiente manera:

-NH2 (CH2 )s CO-[ - NH(CH2 )s CO -]NH(CH2 )s CO- + CH3 COOHnCadena polimolecularAcido

de materias

la polime-sobre-presión,

la masaNo se

el anillocontroladas.

Acético quemolecular del

en los terlas mismas.

de Titanio

inerte de gasel resto de

del orden

de agua y

polimerizadoLa extrac-

n=200-800

molecular

Acético

67

68

iCH3C01 NH(CH2)s CO [ ]—NH(CH2)s CO—

o sea CH3 CONH CO -OH

NYLON-6

La fabricación de la Caprolactama ha alcanzado en los últimos años gran importancia y,además de su importancia en la producción de fibras sintéticas, se aprovecha como com-ponente en las copoliamidas destinadas a la fabricación de plásticos, porque les comunicaflexibilidad y las hace más solubles.El Nylon 6 muy conocido en Europa, especialmente en Alemania, con el nombre dePerlón L, tiene un punto de fusión más bajo que el Nylon 6,6 y tiene además mayor afi-nidad para el teñido. Sin lugar a dudas, constituye el más importante de todos los nylonsdescubiertos hasta ahora, entre otras cosas por su más bajo costo de producción, y porser baratos los intermedios usados en la fabricación del monómero.En la figura No. 47 se muestra un diagrama esquemático del proceso de Polimerizaciónde la Caprolactama, y en la figura No. 48 se muestra en detalle el tubo reactor de dichoproceso, montado en un tablero de control.

is

Ir •Fig. No. 47. Proceso de polimerización de la Caprolactama para la obtención del Nylon-6.

4.1.2. Hilandería del Nylon-6. Una vez convertida la Caprolactama en polímero, vieneel proceso de conversión del polímero a filamentos de Nylon. Esta operación se

hace en las cabezas u unidades de hilar, donde se fabrican filamentos de diferentes deniers.

El Nylon al salir de las boquillas, después del proceso de extrusión, está formada por finoshilos y recibe inmediatamente una corriente de aire consiguiendo que los filamentos se soli-difiquen y se enfríen apropiadamente.Luego los filamentos silben a las máquinas embobinadoras en donde se enrollan en bobinaspasando previamente por un punto en donde se les aplica un apresto especial que tiene lassiguientes finalidades:

lo. Lubricar el filamento.2o. Aplicar un agente antiestático necesario para el

paso sub-siguiente.3o. Proveer un agente de cohesión para unir los capilares

que componen el filamento.

Seguidamente las bobinas producidas son llevadas a un salón de acondicionamiento. Allíla producción se deja reposar por espacio de 24 horas. Al cumplir las bobinas su tiempo deacondicionamiento, estas son llevadas al salón de estiradoras para someter al filamento

adorhl e zc"....

nquetem( diario

iCaprolactama 1

Catalizador 4. fistablizador

Condensador

Me zelsdo r

Filtro

Y

kenYEtapz

de

lixtraeción

0H

Ce Itri 1 urr,aci6n

recado

IFig. No. 48. Detalle del tubo reactor delproceso de polimerización de la Caprolac-tama para la obtención del Nylon-6.

1

(b)

(a)

Fig. No. 49. Las figuras a, b y c señalan diferentes modelos de máquinasEmbobinadoras para Nylon muy utilizadas en la industria.

69

(e)

de Nylon a un proceso mecánico de estiramiento. Este proceso es lo que le da a la fibra latenacidad característica. En estas condiciones el filamento obtenido contiene todas laspropiedades físicas deseables como son la Tenacidad y el calibre o denier final, que debetener una uniformidad absoluta.Por último, la producción que sale de estas máquinas, es rigurosamente inspeccionada y cla-sificada de acuerdo á los diferentes deniers, y posteriormente empacada cuidadosamente paraser enviada a la clientela, donde será finalmente transformada.

Fig. No. 50. Operario de máquinas Retorcedoras, coloca una bobina',cm hilaza de Nylon en una de dichas máquinas.

Fig. No. 51. Modelo de máquina utilizada para estirar filamentosde Nylon de la BARMAG.

4.1.3. Propiedades del Nylon. Las propiedades del Nylon varían en mayor o menor gradocon el tipo de polímero, pero pueden hacerse las siguientes generalizaciones:

4.1.3.1. Propiedades Térmicas. Los Nylons son productos altamente cristalinos, tal comohan sido revelados por los espectros de difracción de rayos X, y debido a esta propiedad,tienen crecidos puntos de fusión. La temperatura a la cual funde el Nylon depende del tipode polímero o composición, pero es aun considerablemente mayor que la temperaturade ablandamiento de la mayoría de los termoplásticos.La exposición prolongada a las fibras de Nylon en el aire, disminuye su resistencia a larotura y su tenacidad, y esta disminución es mayor cuando la temperatura pasa de los100°C. Las figuras 52 y 53 son gráficas típicas de la pérdida de tenacidad del Nylon 66 adiferentes temperaturas. Se ha observado que la degradación es un proceso de oxidación,porque las pérdidas de tenacidad son mucho menor si se elimina cuidadosamente el oxí-geno. Cuando se inicia la degradación del polímero se descolora (amarillea) hasta ciertogrado. A medida que avanza el proceso de degradación el color amarillo se vuelve cadavez más profundo, llegando muchas veces a volverse de color pardo. En cambio, el ca-lentamiento en un medio inerte, como el Nitrógeno, no deteriora el polímero.

El calor específico del Nylon a 20°C. (68°F.) es 0,4 calorías/gramo/ 0C. a 230°C.(446°F.) es 0,6 calorías/gramo/0C.

El calor de fusión es 22 calorías/gramo.La conductividad térmica es 1.7 BTU/hora/ft2/°F.

ti

10C

80

60o

ro "

,21.1

'12 ro

al 401:$

(1.)

ro 20.1)

0 5 10 15

20Tiempo, horas

Fig. No. 52. Degradación térmica del Nylon 6-6,a diferentes temperaturas.

4.1.3.2. Propiedades Químicas. Los Nylons son los más sobresalientes entre la gran fa-milia de los termoplásticos por su resistencia a los disolventes orgánicos, los

cuales tienen muy poco efecto en la rtayoría de ellos. Entre los pocos que lo atacan estáel Fenol y similares, el Formaldehído, el Acido Láctico y el Acido Oxálico diluidos, y aaltas temperaturas el Alcohol Benzilico y el Nitrobenceno. La resistencia de los Nylonsa las soluciones alcalinas y álcalis cáusticos diluidos, es buena, Sin embargo, los álcalis

a la fibra lae todas lasrl, que debe

Dnada y cla-miente para

71

72

15° 16090 120100 140130110 170

- 70

60

t> 50

40ro

"30

• Cl

20oa.

10

80

Temperatura, °CFig. No. 53. Pérdida permanente de Tenacidad por exposición al aire durantediferentes períodos de tiempo y a diferentes temperaturas.

cáusticos pueden producir efectos importantes.La resistencia a los ácidos es moderada. Los Nylons son generalmente inertes a los reacti-vos inorgánicos, pero los agentes oxidantes fuertes las atacan; por esta razón el AcidoNítrico produce la desintegración rápida del polímero. De la misma manera los agentesoxidantes, como las disoluciones de Permanganato y el Peróxido de Hidrógeno, provocanla descomposición, aunque la resistencia de las Poliamidas a estos reactivos varía de unaa otras.El cloro de ciertos agentes de blanqueo atacan los Nylons, explicándose este fenómenocomo una posible- sustitución inicial del hidrógeno de la amida. La reacción con todosestos agentes oxidantes produce la escisión de la cadena y, por tanto, las fibras pierdentenacidad.El Nylon es higroscópico, y la cantidad de agua absorbida depende del tipo de Nylon,la humedad relativa de la atmósfera ambiente y el tiempó de exposición. Eventualmentese alcanza un equilibrio y no se produce más absorción de humedad al menos que se cam-bien las condiciones.El contenido de agua en equilibrio de los tipos de Nylon 6,6-6 y 6-10 en función de lahumedad relativa, se señalan en la figura No. 54..4.1.3.3. 'Propiedades mecánicas. El Nylon es un material duro, de alta resistencia a la

tensión y muy resistentes a la abrasión. Las propiedades mecánicas son marcada-mente menos dependiente a la temperatura que las de la mayoría de los termoplásticos.Existe mucha relación entre el grado de cristalinidad y las propiedades mecánicas de losaltos polímeros, y en especial en el Nylon.Otra propiedad, muy importante, de los Nylons en el caso de fibras y filamentos, es la"Recuperación Elástica", que consiste en la capacidad que poseen estos para recuperar su

90 10010 20 30 40 50 60 70 80

Humedad relativa del aire (%)

Fig. No. 54.

longitud original después de haber sido estirada la fibra. El tiempo necesario para que lafibra recupere su longitud original, es un factor muy importante en la evaluación de laspropiedades de los Nylons.Sin recuperación elástica, sería imposible producir artículos que mantengan su forma ori-ginal o conformar los contornos específicos del cuerpo, tales como las medias, prendaspara mujer, etc.

Cuando la fibra de Nylon se permite relajarse sin carga, una vez que ha sido sometida

70

e

reacti-Acidogentes)vocanie una

)menotodos

ierden

4ylon,[mentee CaM-

de la

a a larcada-sticos.

de los

• es larar su

Altatenacidad

Regulartenacidad

1 1 J 1 t

10 30 t 40 50 10 20 30 40 50

Strain (Elongación, o/o)

9.0

7.0

"a 5.0,, Te-a)

9,a 3.0

1.0

Altatenacidad

Regulartenacidad

Fibracorta

80

7.0

6.0

5.0

4.0

3.0

2.0

1.0

Fig. No. 55. Gráficas Stress vs Strain para fibras típicas de Nylon 6,6 y Nylon 6.

73

74

bajo 'tensión por varios días, esta no regresa inmediatamente a su longitud original sinoque lo hace en forma muy lenta. Sin embargo, casi instantáneamente recupera el 50%del estiraje impartido y al cabo de 24 horas, recupera un total de aproximadamente 85%del estiraje. Requerirá aproximadamente una o dos semanas para que se recupere total-mente y regrese a su longitud original. Estos resultados fueron obtenidos con fibra deNylon 6,6 mantenidas a una humedad relativa constante de 72%.

En la figura No. 55 se señalan las gráficas Stress vs Strain (Tenacidad vs Elongación)típicas para fibras de Nylon 6,6 y 6 respectivamente.4.1.3.4. Propiedades Eléctricas. Las propiedades eléctricas de los Nylons a bajas hume-

dades y temperaturas ambientes son buenas, pero éstas propiedades se deterio-ran fácilmente con el incremento de la humedad y la temperatura. Es posible que el agua,especialmente la absorbida por la superficie, sea la responsable de la mayor parte de laconductividad que ésta posee.

La resistividad para la corriente continua es en las poliamidas función exponencial de latemperatura, como suele observarse en los materiales aislantes. Las propiedades aislantesse manifiestan también en la facilidad con que los hilos aumentan las cargas eléctricasestáticas negativas y positivas, por ejemplo, cuando se deslizan sobre distintas superficies.La escasa conductividad de los hilos secos impide la eliminación rápida de estas cargas.La eliminación se facilita aumentando la humedad relativa de la atmósfera y empleandoacabados eliminadores.4.1.3.5. Resistencia a la Luz. Los Nylons no son afectados por largas exposiciones al

aire a temperatura ambiente, y en todas las escalas de humedad. A elevadastemperaturas están sujetos a oxidación y amarillamiento gradual y pueden volversequebradizos. Las exposiciones a la luz del sol en forma prolongada afecta las propiedadesmecánicas del Nylon, en forma de degradación. Esta degradación se manifiesta por pérdidade tenacidad y en una reducción de la viscosidad.

El Nylon 6,6 y 6 se comporta más o menos como la Seda, y es bastante menos resisten-te a la luz que las fibras celulósicas, el algodón y el rayón.En los casos en que ocurre foto-degradación la reacción observada es una oxidación, y esindispensable el oxígeno para que se presente este fenómeno. Es muy posible que el gru-po amida sea, además, un activador de la oxidación.

Los mateantes disminuyen la velocidad de degradación (ver figura No. 56) y en algunasfibras, como el rayón viscosa, se aplica con este propósito. No se sabe en qué grado influyeel mateado en las fibras como fotosensibilizadoras.

Hay, también, muchos colorantes que influyen en la veloc' idad de degradación, unos laaumentan y otros la disminuyen.

100

r0

a> 0 60a,4)

ny -O

n-• 40....c03

a. a

c>

20

1 2 .3Contenido en agente mateante,

Fig. No. 56. Degradación fotoquímica de filamentos de Nylon 6,6, en función del conte-nido de Dióxido de Titanio.

4.1.3.6. Propiedades Optieas. Cuando una fibra se estira en frío, la orientación obtenidaproduce una birrefrigencia positiva. El índice de refracción de las fibras total-

mente estiradas tiene un valor aproximado de 1,58 a lo largo del eje de la fibra, y a 1,52en sentido lateral. Como es natural, la birregringencia aumenta más rápidamente en losporcentajes más bajos del estirado, según la figura No. 57.

0.06

0.05u

0.04G7,

0.03

0.02

0.01

100 200 300Porcentaje en estirado

Fig. No. 57. Birrefringencia del filamento de Nylon 6,6 estirado, en función delalargamiento.

4.1.4. Usos del Nylon. Conforme al denier o calibre empleado las fábricas textiles laconsumen para la fabricación y elaboración de infinidad de artículos, entre los

cuales se mencionan los que a continuación aparecen. Es imposible utilizar la hilaza talcomo se produce. Esta deberá ser procesada y tejida antes de que tenga uso final.

DENIER ARTICULOS

20/1-15/1 S.M. Medias, tules, encajes, blondas, telas de fantasía.20/4 S.M. Medias - Stretch.30/6 S.M. Medias-pantalón, media stretch, ropa interior, pi-

jamas, levantadoras. ,40/10 S.M. Texturizado: Welt de medias (Banlon) pantalones

de señoras, tricio para bonding, ropa interiorpara señora.

40/10 U.M. Tela para camisas.50/10 S.M. Welt de medias de mujer, Texturizado: encaje elás-

tico, blonda elástica.70/16 S.M. Texturizado: Vestidos de baño, slacks-, cin-

elástica.70/24 S.M. Texturizado: Sweters, vestido de mujer, pantalo-

nes de mujer, calcetines.100/34 S.M. Texturizado: Sweters, calcetines, vestidos de mu-

jer, medias de malla.100/20 S.M. Texturizado: Vestidos de baño, slacks, cintas

elásticas.140/32 BR Texturizado: Vestidos de mujer, camisas de sport.

Crimp: Sweters, tela jersey para laminar.200/32-200/40 BR. Texturizado: Boucle: Sweters, tela para vestidos

laminada.20/1 BR. TRILOBAL Telas vestidos de fiesta, medias de fantasía.

Todos estos artículos y prendas antes mencionados son fabricados mediante los procesostextiles convencionales conocidos en la industria transformadora textil: retorcido, texturi-zado, textralizado, etc.

iginal sinoIra el 50%lente 85°/0Dere total-n fibra de

ongación)

jas hume-e deterio-e el agua,arte de la

icial de laaislantes

eléctricastperficies.as cargas.npleando

ciones alelevadasvolverse

piedadesr pérdida

resisten-

ción, y esre el gru-

algunas> influye

unos la

conte-

75

*FORTREL *KODEL *VYCRON *DACRON

eilliji. I ii»- ' ga di.:.; LTA 7o onl . '411; ..: 41111,1o - 4), .

Corte seccional microscópico de fibras representativas de Poliéster aumentadas unas 500 veces.

4.2. FIBRAS POLIESTERICAS.

La historia del Poliéster se remonta hasta el año 1833 cuando Gay Lussac y Pelouzesintetizaron una forma del mismo, partiendo del Acido Láctico. Posteriormente se hicieronalgunos trabajos de productos de condensación a partir de Glicerina, Acido Cítrico, Sebásico,Ftálico, y otros ácidos más.Más tarde, Carothers, en 1928, desarrolló la síntesis de los polímeros de Condensación y esta-bleció las reglas generales para su obtención, encontrando un sinnúmero de Poliésteres par-tiendo de diferentes rutas. Uno de los desarrollos más notables fué la esterificación de algunosdi-alcoholes con ácidos dicarboxílicos alifáticos, con los cuales se obtuvieron productos de pesomolecular elevado, encima de 8.000 y 10.000, que ofrecían muy buenas características parautilizarlas como fibra.Finalmente en 1941, los químicos ingleses J.R. Whinfield y J.T. Dickson descubrieron la reac-ción para preparar el Tereftalato de Polietileno, el Poliéster clásico para la fabricación de fibrasde Poliéster y que posee un alto punto de fusión. Este sensacional descubrimiento fué hechoen los laboratorios de "Calico Printers, Ltd." y su tecnología se ha extendido por todo elmundo conociéndose con diferentes nombres patentados. Así, por ejemplo:

Productor: País de origen Nombre comercial:

E. I. DuPont de Nemours U. S. A. DACRONImperial Chemical IndustriesCanadian Industries

InglaterraCanadá

Holanda TERLENKA

TERYLENE A.K.U. AlgemeneKunstzijde Unie, N. V.Fibres IndustriesCelanese

U. S. A.U. S. A. FORTEL

Societé Rhodiaceta, S. A. Francia TERGAL

Eastman Chemical Products, Inc. U. S. A. KODEL

Farbwerke Hoechst, A. G. Alemania DIOLEN Y TREVIRA

Soc. Rhodiaceta Italia TERITAL

Japón TETORON

Rusia LAVSAN

4.2.1. Obtención de los intermedios. La esterificación del Poliéster resulta de la reacciónde un Acido Dicarboxílico como el Acido Tereftalico, y un alcohol Bifuncional,

como el Etilen Glicol.1) Obtención del Acido Tereftálico. Este producto fundamental se obtiene

partiendo del Para-Xileno, que se encuentra disponible en la industria del Petróleo, como

76

COOH coo.cH3

4- 2 H2O+ 2 CH3OH

[RA

veces.

elouzecieronbásico,

y esta-es par-lgunosle pesois para

a reac-, fibrashecho2do el

acción:ional,

btienecomo

fracción de la destilación de la Nafta. Sin embargo, aquí se obtienen tres formas de Xilenos,los isómeros para, orto y meta, ya que tienen puntos de ebullición muy cercanps. En lapráctica estos tres productos se separan por cristalización ya que el para-Xileno congela

a 130C. el m-Xileno a 480C. y el o-Xileno a 250C. o también pueden emplearse cualquierotro metodo de absorción selectiva.El para-Xileno se oxida con Acido Nítrico o con Aire a 220 0C. y 30 atmósferas de presión,en presencia de un catalizador de Cobalto, obteniéndose en esta forma el Acido Tereftálico,el cual se convierte a Dimetil-Tereftalato (DMT) calentándolo con Metanol y en presencia deAcido Sulfúrico.Reacciones:

lo. Con Acido Nítrico:

CH3 COOH

+ 4 HNO3 — + 4N0 + 4H20

CH3 COOH

P-Xileno Acido Tereftálico

2o. Con Aire:

COOH

+ 2 HZ 0

CH3

+ 302 -4>

CH3P-Xileno

COOHAcido Tereftálico

El Acido Tereftálico se esterifica luego con Metanol para obtener finalmente el Dimetil-Teref-talato:

COOHAcido Tereftálico

COO.CH3Dimetil-Tereftalato

2) Obtención del Etilen Glicol. Este producto es un liquido incoloro, casi sinolor. Es miscible en agua y otros solventes orgánicos. Se obtiene por dos métodos conocidos:lo. Por hidrólisis del Etilen-Clorhidrina con Hidróxido de Calcio o de Sodio:

Ca(OH)2CH2 --CH2 -› CH2OH I HC1

I I Hidrólisis 1OH Cl CH2OH

Etilen Clorhidrina Etilen-Glicol

77

H (2n- 1 )CH3OH

Poliéster (Proceso Terylene)

De las dos rutas mencionadas con anterioridad es preferible usar la vía del Ester y no la delAcido, por razón de la pureza de los intermedios que es esencial prevenir en los procesos dePolicondensación. En esta forma es más fácil purificar por destilación el DMT, que el ácidomismo.Las variables que deciden el curso de la reacción de intercambio de éster, llamada tambiénde Transesterificación, está determinado por la temperatura, la cantidad de exceso de Glicol,el tipo y la cantidad de catalizador, la presencia del Dióxido de Titanio (que actúa comoagente opacificante), y el tiempo de la reacción.Durante la condensación algunos productos intermedios tienen lugar en la transesterificación,a una temperatura definida, y es posible caracterizarlos por su temperatura de punto defusión:

ermedios

licol

Productos Punto de Fusión (0C.)

MonómeroDímeroTrímeroTetrámero

101167200-202220

H2 OH

Estos productos están sujetos a las mismas leyes de equilibrio que rigen la reacción de tran-sesterificación y por lo tanto ellos no obstruyen la condensación.Una vez formado el polímero, como Poliéster, se saca del reactor en forma continua odiscontinua en forma de cinta que se va solidificando sobre una rueda, y luego cortada enpequeños pedazos en forma de cubitos de aproximadamente 4 milímetros de lado.

Posteriormente se seca completamente el polímero hasta niveles de 0,003% de Humedady asi queda listo para el proceso de Hilandería.En la siguiente figura aparece un diagrama indicativo de flujo del proceso de Polimerización:

fT/t£N6l/COL

2.5'C

10 mm760 mm

Doloro

p/me-r/crEÁEpy,4 Ara

liéster de

reacción

FIN r RO

<54,764

Fig. No. 58. Manufactura del Poliéster.

Algunas de las más importantes características del Polímero de Poliéster para la fabricaciónde fibras textiles, son las siguientes:

Viscosidad del producto fundido: 2.000-5.000 poises a 2800C.Viscosidad intrínseca: 0,60 0,70Punto de Fusión: 2640C.Temperatura de transición de segundo orden: 800C.

!n Glicol:

reacción:

Bomba de hilar

MotorCabeza de hilado

Calentador

Dueto de aire

Aire de enfriamiento

Dueto de hilado

Máquina cmhollnadora

Filtro y Boquilla

Filamento

Gravedad Específica: 1,335Peso molecular promedio: 22.000 a 27.000Agente deslustrante: Dióxido de TitanioContenido de Dióxido de Titanio: 0,3 0,6%

4.2.3. Proceso de Hilandería. La hilandería del Poliéster es bastante parecida a la de lasPoliamidas y en especial a la del Nylon-6. Las operaciones se llevan a cabo en

Extruders especialmente diseñados para este propósito, y de los cuales hay multitud demodelos. El extruder para Poliéster consta principalmente de:

lo. Cilindro o camisa, construida en acero inoxidable y calentada por resistenciaseléctricas. Es el lugar por donde se mueve el tornillo extrusor, el cual está dividido en treszonas: zona de alimentación, zona de arrastre y por último zona de comprensión, que es lamás importante porque de su buen ajuste depende la uniformidad del denier final.

2o. Cabeza de Medición, acoplada al final del cilindro por medio de un flanche.Mantiene un termómetro de resistencia para controlar la temperatura del material fundido.La cabeza de medición y el tubo de distribución del polímero fundido son calentados convapores de Dowtherm.

3o. Cabeza de hilar, calentada igualmente con Dowtherm y controlada sutemperatura.Después de extruídos los filamentos de Poliéster a través de boquillas con orificios circula-res, se enfrían con aire debidamente controlado, y se embobinan en máquinas embobinadorasconvencionales y así quedan preparados para la operación de estirado.

Polímero fundido

Fig. No. 59. Representación esquemática de un sistema dehilado para Poliéster.

80

tr

Ellorvelplaprc

4.:

quTi,1Cca

I!lasende

ciartres?s la

;he.do.con

1 SU

ula-oras

Fig. No. 60. En la figura se ob-serva filamentos de Poliésteremergiendo de una hilera.

F. No. 61. Bobinas de fila-mentos de Poliéster.

El estiramiento del Poliéster se hace en caliente y es de aproximadamente 4 a 5 veces sulongitud original, operación que se hace por medio de dos rodillos que giran a diferentesvelocidades. La temperatura de los rodillos es de 70 a 1000C. y en medio de ellos va unaplaca calentadora ajustada entre 170 a 200 0C, ajustable segun el denier procesado y laspropiedades que se deseen en la fibra.

4.2.4. Propiedades. El Poliéster (tipo Dacrón) tiene una gravedad específica de 1,38, estoes, mayor que el Nylon y que las fibras acrílicas como el Orlón, pero más baja

que el Algodón y el Rayón.Tiene un regain de humedad de 0,4% a 700F. y 65% de Humedad Relativa, y 0,5% a100% de Humedad Relativa. Por esta razón las prendas elaboradas con estas fibras poseencaracterísticas de fácil lavado y secado.

4.2.4.1. Propiedades físicas. La resistencia del Poliéster es igual en seco que en húmedo,y tiene una buena tenacidad de 4,5 a.7,5 gramos/denier, y una elongación a la

rotura que oscila entre 10 hasta 40%, que dependen del tipo de Poliéster. Otra propiedadcaracterística del Poliéster es su alta birregringe -ncia (0,160), la más alta de las fibl-as.A continuación se representan las gráficas típicas de Stress-Strain para tres fibras dePoliéster representativas:

81

Alta tenacidad

Tenacidad media

80

60

40

20Fibra corta

O 10 20 30 40Exthnsión (o/o)

DACRON KODEL FORTREL

O 5 10 15 20 25 30 O 1Extensión (o/o) Extensión (o/o)

30

25

20

is

10

05

50

40

30

20

1.0

4.2.4.2. Propiedades de recuperación. La fibra de Poliéster tiene muy buenas propiedadesde recuperación. En la siguiente tabla se dan algunos interesantes datos:

o/o Estirado

HILAZA DE BAJA EL'ONGACION HILAZA DE ALTAELONGACION

60o/o de HR y 70'Fo/o Recuperado

Húmedo a 70'Fo/o Recuperado

60o/o HR y 70'Fo/o Recuperado

0.5 92 92 97

1 71 79 85

2 60 60 54

5 64 32

Fig. No. 62. Gráficas típicas de Stress-Strain para tres fibras representativas de Poliéster.

En este sentido las fibras de Poliéster tienen similares propiedades que la Lana. Además,el Poliéster es inarrugable.4.2.4.3. Propiedades Térmicas. El Poliéster en forma de filamentos y de fibra corta

disminuyen su Tenacidad y aumentan su Elongación por exposición a elevadastemperaturas. Este efecto se ilustra en la siguiente figura:

1

7.06.0-

- 70- 60

—ag-

mi

ui 5.0- _ 50 ,-1z..-.15, 4.0- - 40 .M

01.0co

3.0- _ 30 c-o:'1omi

2.0

1.0-

. - 2010_

'5az

it 0 0ow

- 200C O'C 40'e 80'C 120'C 160'C 200'C

TEMPERATURA ('C)

Fig. No. 63. Efecto del calor sobre la Tenacidad y la Elonga-ción en las Fibras de Poliéster.

82

El calentamiento del Poliéster en el aire causa muy poca decoloración en la fibra. Ningúncambio de color fué detectado en muestras expuestas en el aire por 7 días a 3020F.Algunas muestras expuestas en el aire durante 11 días a 347 0F. fueron solo débilmentedecoloradas.

La temperatura de planchado de las prendas fabricadas con filamento. de Poliéster es de2750F. Pruebas de laboratorio indican que solo hasta 400 460 0F. ocurre el pegado delas prendas de Poliéster durante el planchado.

El Poliéster es mal conductor del calor y la electricidad y por lo tanto un excelenteaislante térmico y eléctrico.

El Punto de Fusión es de 2650C.Efecto de la exposición a la luz. No es degradado severamente por la acción de la luz, sien-do en este aspecto superior al Nylon, y en general puede decirse que en este aspectotiene buena estabilidad.4.2.4.4. Teñido. El teñido de la fibra de la Poliéster requiere métodos que tengan en

cuenta su característica de baja absorción de agua. Por otro lado, la compacta-ción de su estructura molecular hace que el teñido sea difícil. Se emplean tres técnicas deteñido:

lo. Teñido acuoso en ebullición con un "carrier", o sea un agente quefacilita la difusión del colorante. Los "carriers" más usados son el o-fenilfenol y el AcidoBenzoico.

45 /1 6:0.n (o/o)

TREL

opiedades

E ALTA:ION

y 70'Fperado

2o. Teñido acuoso a alta temperatura y elevada presión, y

3o. El método Thermosol, que consiste en impregnar la prenda con colorantesdispersos seguido por un tratamiento de calor en seco para que penetre el colorante en lafibra.

Entre los colorantes usados están el Amarillo Dispersol Rápido G y el Rojo Duranol GN.

4.2.4.5. Propiedades Químicas. Resiste los ácidos débiles y fuertes a ebullición aún elAcido Fluorhidrico en frío, a excepcion del Acido Sulfúrico al • 80°/0 en ebulli-

ción y al Acido Nítrico concentrado, características que sirven para identificarlo.Su comportamiento ante los álcalis depende de las condiciones, por ejemplo, frente alos débiles los resiste, y se solubiliza progresivamente frente algunos fuertes como elHidróxido de Sodio al 10% en ebullición.La mayoría de los disolventes orgánicos normales tienen escaso poder sobre estas fibras,pero se disuelven en m-cresol en caliente, o-clorofenol en caliente, en Trifluoroacéticoy en mezclas de 7:10 Triclorofenol: Fenol y en mezclas de 2:3 Tetracloroetano: Fenol.

Resiste los agentes oxidantes como los blanqueadores.4.2.4.6. Propiedades Biológicas. No presenta ningún problema al ataque de los insectos,

mohos u otra clase de micro-organismos.Debido a su composición química esta fibra se comporta muy bien contra el sudor delcuerpo humano, además no origina ninguna clase de irritación a la piel.

4.2.5. Mezclas con otras fibras. El Poliéster en fibra corta se acostumbra mezclarlo conotras fibras como la Lana, el Algodón y otras fibras, para diseñar un determinado

tipo de tejido que se adapte a determinadas necesidades. Las mezclas más generalizadas son:

lo. Con Lana.2o. Con Algodón en una combinación típica de 65/35 de Poliéster/Algodón, y

se usa para prendas de vestir. De fácil lavado y requiere poco o ningún planchado.

3o. Con Rayón o Acetato.En esta forma es posible confeccionar ropas de vestir liviana y pesadas y que ademásconservan indefinidamente su estabilidad 'dimensional.Usos: Además de los enunciados anteriormente, con las hilazas de filamento continuo dePoliéster es posible utilizarlo:

Poliéster.

a. Además,

fibra cortaa elevadas

83

En América:

En Europa:

En Japón:

Celanese Corp.E. I. DuPont de Nemours & Co. Inc.Tennessee Eastman Corp.Beaunit Milis, Inc.

A. J. U. Algemene Kunstzijde Unie N.V.Ferbewerke Hoechst A.G.Imperial Chemical Industries Ltd.Rhodiaceta S.A.Vereinigte Glanzstoff - Fabriken A.G.Badische Anilin und Soda FabrikKawasaki Chemical Industry Co. Ltd.Teikoku Rayon Co. Ltd.Toyo Rayon Co. Ltd.

lo. Como Urdimbre 100% y tramado con cualquier fibra natural, artificial osus mezclas.

2o. Como Trama o Urdimbre 100%, urdida o tramada con fibras naturales,artificiales o sus mezclas.

3o. En tejidos planos convencionales, para producir telas de tipo de: crepés,satines, popelinas en mezclas con viscosa, rayón y otras fibras artificiales, tafetanes, marque-sitas, linos, telas para sombrillas, crespones, brocados, telas para laminados, entretelas ytoda la gama de telas semipesadas para trajes de sport.

4o. Para géneros de punto en telas de tipo: velours, encajes, bordados, camiserías,blusas y la gama completa de ropa interior de mujer.Por último, resumiendo, podría decirse que las características o principales cualidades deesta fibra y que se transmiten a las telas de acuerdo a la proporción de Poliéster en lamezcla son:

lo. Excelente resistencia a los agentes limpiadores (gasolina, varsol, alcohol,acetona, etc.)

2o. Resistencia a la deformación por el uso.3o. Gran resistencia contra las secreciones del cuerpo humano, no siendo afecta-

da ni por el sudor, la orina, etc.

4.2.6. Mayores productores de Poliéster:

*ORLON *ACRILAN *ZEFRAN *CRESLAN

111).

)1499°4/-"N

Corte secciona] microscópico de fibras representativas Acrílicas aumentadas unas 500 veces.

4.3. FIBRAS ACRILICASEl desarrollo industrial del Poliacrilonitrilo, como fibras, solo fue posible en 1943

con el descubrimiento de disolventes tales como la Dimetil-Formamida y la Sulfona Tetrame-tilénica.Al comienzo se pensó que. el Acrolonitrilo no sería aprovechable dadas las dificultades en

84

tificial o

taturales,

: crepés,marque-retelas y

niserías,

Jades deer en la

alcohol,

) afecta-

encontrar disolventes adecuados. El problema se superó una vez que se encontró en el polímerola existencia de enlaces tridimensionales, y posteriormente a la presencia de grandes fuerzasinter-moleculares en la cadena del polímero.

4.3.1. Definición. Las Fibras Acrílicas se definen como fibras formadas por cualquierpolímero sintético de cadena larga, compuesto por lo menos de 85'/o en peso de

unidades de Acrilonitrilo.

Hay dos tipos de fibras acrílicas principalmente:lo. Las obtenidas por la polimerización del Acrilonitrilo (CH2 =CHCH) tales

como las fibras conocidas con los nombres patentados de Orlón y Acrilán de la Monsanto.2o. Las que se obtienen por copolimerización del Cloruro de Vinilo en un 400/o,

tales como la marca Dynel conocida en los Estados Unidos, y el Dralón y el Pan' en Alemania.

4.3.2. Obtención del Acrilonitrilo. El Acrilonitrilo se obtiene por cuatro métodos cono-cidos:lo. Partiendo del Oxido de Etileno. Es un método poco empleado. El Oxido de

Etileno se obtiene del Etileno de las plantas de cracking del Petróleo. Se hace reaccionarcon Acido Cianhídrico procedente de la oxidación catalítica parcial del Metano, en presen.cia de Amonio. El proceso se realiza en dos etapas, con la formación intermedia de Cianhidrina de Etileno:

CH2 CH2 CN

O HCN CH2 OHCH2

Oxido de Etileno

CH2 CN

CH2 OH

Acido Cianhídrico Cianhidrina de Etileno

CHCNII

H2OCH2

Acrilonitrilo

2o. Por reacción entre el Acetileno y el Acido Cianhídrico en presencia decatalizador. La reacción puede efectuarse en fase líquida o gaseosa. Los dos intermediosse introducen en un reactor cilíndrico en la relación molar de 10:1, y actúa como cataliza-dor el Cloruro Cuproso en solución al 26%, que llena el reactor hasta las 2/3 partes. Elreactor opera a presión atmosférica y a una temperatura de 700C.:

CHECH + HCN catalizadorAcetileno

CH2 = CHCNAcrilonitrilo

veces.

1943trame-

les en

Fig. No. 64. Vista aérea de una Planta de Fibras Acrílicas de laMONSANTO localizada en Decatur, Ala, que fabrica la conocidafibra ACRILAN.

85

9

r '12

• \Al 11 13

Fig. No. 65. Procew: de fabr icación de las Fibras Acrílicas:

ACRILAN

17

1 Acrilonitrilo. 10 Tanque de disolución.2 Depósito. 11 Filtro.3 Polimerizador. 12 Planta de solvente.4 Adición de Químicos. 13 Boquilla.5 Centrífuga. 14 Secador rotatorio.6 Salida de líquido no útil. 15 Rizador.7 Polímero Seco. 16 Cortador.8 Molinda. 17 Embaladora9 Almacenamiento de Polímero. de fibra.

30. A partir de Amoníaco y Propileno (Proceso Sohio). Consiste en una conver-sión catalítica en fase vapor de Propileno de refinería (40 90% de concentración),amoníaco: anhidro (grado fertilizante) y aire, a una temperatura de 750 925 0 F., unapresión de 5 30 psig y un tiempo de contacto del orden de segundos.

CH2 = CHCH3 + NH3 + 11/202 ---> CH2 CHCN + 3H20Propileno Amoníaco Acrilonitrilo

Para dicha conversión se utiliza un reactor catalítico de lechos fluidizados en donde losgases se introducen a través de distribuidores. El catalizador empleado se basa principal-mente en Molibdeno y Bismuto.

4o. A partir del Acetaldehido. Para la reacción se agrega HCN al Acetaldehido:

OHCHCN

CH3CHO HCN —> CH3CH ---> 11 + n-2 -

CNCH2

4.3.3. Polimerización del Acrilonitrilo. La técnica más empleada se basa en el métodode radicales libres, y se realiza mejor en disoluciones acuosas del monómero y

empleando catalizadores solubles en agua. La disolución acuosa favorece el control delproceso de polimerización y el polímero precipita según se va formando, en forma granularfina, que filtra fácilmente. Se utilizan como catalizadores el Peróxido de Hidrógeno, elPer-Sulfato Amónico y el'Per-Borato Sódico. Se debe evitar la presencia de oxigeno pueseste elemento actúa como inhibidor de la polimerización.Reacción:

n [CH2 -=CHCH 1Catalizador

(–CH2 CH

CN nMonómero de Acrilonitrilo Poli-acrilonitrilo

(Polímero)

Otro método es el continuo que se realiza en un recipiente con agitador. en el que se

86

introducen el monómero Acrilonitrilo con disoluciones acuosas de Persulfato Amónico yun activador de la reducción (Bisulfito o Tiosulfato Sódicos). La proporción de agua es1 a 10 Acrilonitrilo/Agua.

Monómero La. BombaSecador

Tune]

CatalizadorBomba

FiltroRotatorio

Pu l ve r izador Almacén

)nver-:ión),

una

Fig. No. 66, Polimerización Continua del Acrilonitrilo.

1

( .1. 4o 1 n-y.

e losipal-

Fig. No 67. Tablero de control de una Plantade Polimerización de Acrilonitrilo.

todoro y

delmiar), el)ues

Fig. No. 68. Boquilla con diminutos finosorificios extruyendo Poliacrilonitrilo enfibras, en un baño de coagulación.se

—1SOLVEN I I

BOQUILLA

r1

I II» In. T'y IN( Os A

Tg. Coagulante Lavado Estirado

D

O1.

DO

l

SECADOR DEFIJADO

CORTADORA

00

CUERDA FIBRACORTADA

Acabado

PACAS

4.3.4. Hilandería del Polímero. A diferencia de otros polímeros que se pueden hilar porfusión, como las Poliamidas y los Poliésteres, el Poliacrilonitrilo se hila por extru-

Sión en disolución, empleándose para ello el proceso en húmedo o el proceso en seco.El método de hilar el polímero fundido no puede emplearse en este caso debido a lainestabilidad del polímero en el intervalo de temperatura cercano a su punto de fusión.

El intervalo útil de pesos moleculares para la fabricación de fibras de poliacrilonitrilo esde 15.000 a 300.000; la mayor parte de los Poliacrilonitrilos para las fibras comercialestienen un peso molecular que está probablemente entre 30.000 y 100.000, según las condi-ciones en que se hace el hilado.

4.3.4.1. Proceso en Húmedo. En el proceso en Húmedo, el polímero se disuelve en unsolvente adecuado, el cual generalmente es el Dimetil Formamida (DMF), a una

concentración de 15 a 40 0/o o más, pero también se usan otros solventes tales como e,1Dimetil-Sulfóxido o soluciones concentradas de ciertas sales minerales tales como elTiocianato de Potasio. La solución resultante es extruída en un baño, en el cual el sol-vente es altamente soluble, pero el polímero precipita en forma de filamentos. El bañopuede ser del Glicerol, Cloruro de Calcio en solución, y a una temperatura entre 0 a 1500C.Para retirar del filamento el líquido que constituye el baño, este se lava con agua y luegose estira en húmedo bien con vapor, agua en ebullición o con otros mecanismos a altastemperaturas. El estiraje es del orden del 300- 1.000% y se lleva a cabo para orientarla estructura molecular y mejorar sustancialmente las propiedades mecánicas de la fibra.Después del estiraje, los filamentos se secan y luego se rizan, segun el caso. Las boquillasde hilar utilizadas tienen 1.000 a 12.000 orificios de 0.06 a 0.11mm. de diámetro.

La figura No. 68 muestra una boquilla, que contiene diminutos orificios, extruyendoPoliacrilonitrilo en un baño de coagulación.El tiempo de contacto en el baño depende del número de filamentos necesarios puestoque entre mayor sea el número, mayor debe ser el espacio recorrido en él para obteneruna completa coagulación.La figura No. 69 señala los pasos más importantes del proceso en húmedo para lafabricación de las fibras de Poliacrilonitrilo.

Fig. No. 69. Hilado en húmedo del Poliacrilonitrilo.

88

Rizado

ESTIRADOBOQUILLA O fl 1

PO LI AC101.0- 1ITR 11,0

1FIBRA

CORTADACUERDA

H ILAZA.

L___JAM CALORARADEEVA

ORA

ON

PARED

CALENTADA

LAVADO

FILTRO PRENSA

iorru-m.

la)n.es

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e.1el

;o1-iño0Cigotastar

Ilasro.tdo

stoner

la

4.3.4.2. Proceso en seco. En el proceso en seco el polímero se disuelve en un solventeorgánico adecuado, que puede ser el Dimetil Formamida (DMF), para obtener

una solución que contenga 20 a 40% de soluto. La solución obtenida se calienta hastauna determinada temperatura cercarla al punto de ebullición del solvente. y entoncesse verifica la extrusión de una celda hiladora provista de calefacción. Después de la extru-sión el solvente se retira para su recuperación empleando un medio evaporador calientetal como el aire, Nitrógeno, vapor o una combinación de ellos, el cual circula en sentidocontrario al movimiento de los filamentos recientemente formados con lo cual el solventese separa por evaporación y es llevado fuera de la celda hiladora.

Los filamentos recogidos después de salir de las boquillas hiladoras son estiradas entre300 a 1.000% para desarrollar sus propiedades mecánicas. Para filamentos continuos se !II

le agrega un apresto, se pliega y se embobina. Para fibra corta, un número grande defilamentos se colocan juntos para dar un cable por encima de 500.000 de Denier total,el cual es risado y cortado en apropiada fibra corta de longitud deseada.

Para el hilado en seco del polímero se necesitan pesos moleculares de 35.000 a 50.000.y algo mayores para el hilado en húmedo.En la siguiente figura se señala el proceso de hilado en seco del Poliacrilonitrilo.

Fig. No. 70. Hilado en seco del Poliacrilonitrilo.

Rizado

4.3.5. Propiedades y usos. El filamento de Poliacrilonitrilo tiene las siguientescaracterísticas:

Tenacidades de 4-5 gramos/denierElongaciones de 15-25%y baja afinidad del teñido.

La fibra corta (staple) y el rizado se hace comercialmente por ambos procesos o seahúmedo y seco, de polímeros modificados con mejores propiedades de teñido. Ellos sonproducidos generalmente con tenacidades de 2 a 3,5 gramos/denier y elongación de 25a 40%. .Las fibras acrílicas son fuertes, resilienses, resistentes a la humedad, a los insectos, etc.Las densidades de la fibra varían entre 1,14 a 1,18.

Se . usan en camisería, vestidos, géneros de punto, tapicería al aire libre por su gran estabilidad a la luz, cortinas, alfombras, y en mezclas con lana, algodón v otras fibras

89

sintéticas.A continuación se representan las gráficas tipicas de Stress-Strain para las principalesfibras representativas Acrílicas.

30 30 40

25- 2530 - 30

20 20

15 15 20 2.0

10- 10[ O i

05 05 r

0 5 ilo lb 20 i's í) 1 0 2 30 40 0 10 20 30 40 O 10 • 1 40

Extensibilidad en % Extensibilidad en % Extensibilidad en < YO Extensibilidad en %

ORLON ACRILAN ZEFRAN CRESLAN

4.3.6. Identificación. Las fibras acrílicas arden fácilmente, con una llama humeante lumi-nosa y un olor característico. Muestra una buena resistencia a los disolventes

orgánicos comunes, sin embargo es soluble en Dimetil Formamida a ebullición y en Dimetil-Sulfóxido. La resistencia a los ácidos es grande, pero es soluble en ácido sulfúrico con-centrado en caliente y en ácido nítrico.

4.3.7. Productores de Fibras Acrílicas, incluyendo las Fibras Modacrílicas. en los EstadosUnidos:

COMPAÑIA MARCA:CAPACIDAD:(millón de libras)

135602715108

ORLONACRILANCRESLANZEFRANVERELDYNEL

Dupont (Waynesboro, Va. Camden, S.C.Chemstrand (Decatur, Ala)American Cuanamid (Pensacola, Flia.)Dow (Williamsburg, Va.)Tennesse Eastman (Kingsport, Tenn)Unión Carbide (S. Charleton, W. Va.)

4.4. FIBRAS DE POLIPROPILENO.Las fibras de Polipropileno fueron desarrolladas en Italia por químicos de la firma

Montecatini y bajo la dirección del profesor Giulio Natta del Instituto Politécnico de Milán.Fundamentalmente las investigaciones permitieron preparar por medio de una polimerizaciónaniónica coordinada estereoespecífica, macromoléculas de elevada regularidad.El Polipropileno, junto con el Polietileno, pertenecen a la gran familia de las Poliolefinas, degran importancia en la industria de plásticos y en particular de las Fibras Sintéticas.Los elementos que constituyen las Poliolefinas son los hidrocarburos no saturados (denominadosolefinas), que por polimerización forman cadenas largas.

H H

El etileno gaseoso C C

I

H Htiene la estructura más sencilla del grupo de las olefinas.En el proceso de polimerización, los enlaces dobles de la molécula del etileno se abren permi-tiendo la formación de largas cadenas moleculares, que constituyen el Polietileno:

H H H

CH3 [ -C]I I „

H -siendo n=2.000 a 40.000

En el caso del propileno, también gaseoso

HI IC=C

I ICH3

durante su polimerización resulta el Polipropileno, cuya estructura molecular presenta elsiguiente aspecto:

H H H HI I I I

CH3- C -C -C=CI I 1H CH3 n CHs

siendo n=7.500 a 18.000La ordenación entre sí de los grupos CH3 existentes en cada segundo átomo de carbono, puedeser distinta.De los dos miembros de la familia de las olefinas el más sobresaliente para aplicación de fibrases el Polipropileno, y por esta razón su estudio se prefiere aqui.

4.4.1. Obtención del Propileno. El monómero, Propileno, CH2 =CH. CH3 es un sub-pro-ducto de las refinerías de Petróleo. Procede del cracking y se produce en cantida-

des suficientemente grandes. Constituye una de las fracciones más baratas del cracking delpetróleo, lo que da esperanza para su más rápido desarrollo.4.4.2. Estructura química del Polipropileno. En la polimerización del Propileno se forman

cadenas macromoleculares con los grupos metilos arreglados en diferente forma.La presencia de estos grupos metilos hacen posible la existencia de varias formas dePolípropileno, los cuales difieren en acordancia a la estructura tri dimensional de las mole-culas, como sigue:

lo. Polipropileno lsotáctico, en el cual todos los grupos metilos del polímeroestán supuestamente extendidos sobre el plano, dispuestos en un mismo lado en formaregular. Ejemplo:

1 1CH3 CH3 CH3

CH.CH2 CH. CH2 - CH.CH2 CH.CH2Estructura molecular del Polipropileno Isotáctico.

Esta agrupación molecular en el Polipropileno llamada isotáctica o estereoespecífica, debuena regularidad estructural, es la estructura necesaria para su utilización en fibrascomerciales.

2o. Polipropileno Sindiotáctico, en el cual los grupos metilos están sobre elplano supuesto, en forma alternativa y regular.

CH3 CH3 CH3

CH.CH2 - CH.CH2 CH.CH2 CH.CH2 CH.CH2 - CH.CH2 -1

CH3 CH. CH3

Estructura molecular del Polipropileno Sindiotáctico.

30. Polipropileno Atáctico, en la cual los grupos metilos están ordenados al

91

azar a uno y otro lado de los enlaces de carbono, en forma irregular.

CH3 CH3

CH.CH2 CH.CH2 CH.CH2 — CH.CH2 — CH.CH2ICH3 CH3 CH3

Estructura molecular del Polipropileno Atáctico.

Esta agrupación en lugar de producir un polímero, constituye un líquido viscoso o unagrasa.Los tres arreglos macromoleculares del Polipropileno descritos anteriormente, tienen unaimportantísima influencia sobre las propiedades del material. Las agrupaciones Isotácticay Sindiotáctica por su regularidad estructural les confiere a los polímeros buenas posibili-dades de darle formas altamente cristalinas.Estos últimos factores son los que definen la mayoría de las características mecánicas de lafibra y su comportamiento frente a los agentes químicos, ante los que muestra absolutaindiferencia por razón de la fuerte cohesión cristalina que liga a sus moléculas.La agrupación atáctica. por lo contrario, tiene como se ha dicho anteriormente. una estruc-tura desordenada e irregular, y las moléculas no pueden desarrollar formas cristalinas.El polímero Polipropileno de este tipo tiene un bajo punto de fusión y pobres propiedades.Por tales motivos las investigaciones realizadas por el profesor Natta sobre la polimerizacióndel Propileno para desarrollar la forma Isotáctica que permite la utilización de este polímeroen forme de fibra útil, constituyó un acierto de grandes repercuciones en la tecnologiatextil.

4.4.3. Polimerización del Propileno. La polimerización del Propileno se efectúa concatalizadores de coordinación. similares a los usados en la polimerización del

Etileno. Los más empleados son el Tricloruro o Tetracloruro de Titanio (Ti C14) y el TrietilAluminio Al (C2Hs )3 disueltos en un solvente tal como el Heptano.

De la misma manera, la técnica de la polimerización del Propileno es igual para el Etileno.Básicamente consiste en agregar el monómero a un reactor bajo presión muy baja, y a unatemperatura de 50 a 750C. El calor de la reacción se elimina por enfriamiento. El polimerose forma como polvo o como gránulos insolubles en la reacción de la mezcla. Al finalizarla reacción, al cabo de 8 horas, el catalizador se destruye por la admisión de agua o alcoholpara remover todos los productos de bajo peso molecular, y el polímero se filtra o se cen-trifuga, se lava y finalmente se seca.

El rendimiento de esta operación es de 85 a 90lo, y se consiguen pesos moleculares decerca de 80.000.

El control de la reacción se hace por medio de los siguientes mecanismos:

Escogiendo adecuadamente la temperatura, yPor adición de aditivos para interrumpir el crecimiento de la cadena molecular.

4.4.4. Hilandería del Polipropileno. El polímero después de seco se funde y se extruyea través de un sistema convencional de boquillas.

El Polipropileno antes de ser hilado tiene una cristalinidad de 50°/o y después de hilada lafibra tiene un contenido de cristalinidad de 33%. Si se estira, su cristalinidad aumenta a47% y puede elevarse aún a 68% por estiraje con calor.

4.4.5. Propiedades.4.4.5.1. Densidad. El Polipropileno es el más liviano de todos los plásticos hasta ahora

conocidos, y su densidad es de 0.905. Esta cualidad le confiere la gran ventajade que los tejidos fabricados con dicha fibra son más ligeros que los mismos articulosfabricados con cualquier otra fibra. Además, industrialmente permite un mayor apro-vechamiento de la unidad de peso de esta fibra a igualdad de volumen del articulofabricado.

4.5.

cono.Sióntamb.gresolímer

4.!

Ct

92

4.4.5.2. Absorción de humedad. Debido a su estructura molecular tan cerrada, su absor-ción de humedad es sumamente baja, casi nula, es decir es hidrofóbica, llegando

a valores de 0,5 por 100 en condiciones standard. Esta propiedad hace que los artículoso prendas fabricados con estas fibras tengan una gran rapidez de secado.4.4.5.3. Propiedades mecánicas. La alta cristalinidad del Polipropilefio le imparte alta

resistencia. Su tenacidad de 8,5 a 9,0 gramos/denier es solo comparable conalgunas fibras poliamídicas, y es por tanto 4 a 5 veces superior a la de las fibras Poliacrí-licas, 2 veces a la del Cloruro de Polivinilo y un 29°/o superior a las fibras Poliestéricas.En húmedo mantiene un 100% su tenacidad debido a su bajo poder de absorción indicadoanteriormente.

El alargamientb a la rotura de esta fibra puede variar del 17 al 25%, lo que permiteigualmente diferenciarla de la mayoría de las fibras sintéticas.La recuperación de esta fibra cuando se estira un 2%o durante 30 segundos es de 9 1 %

y cuando se estira un 2%o durante 3 minutos es de 82°/o, sin haberse observado ningunadeformación permanente.Debido a las anteriores propiedades mecánicas y por ser liviano, se usa mucho en laelaboración de redes y cuerdas.4.4.5.4. Propiedades Térmicas. Esta fibra tiene un puntq de fusión de 165 0C. No presen-

ta contracciones hasta la temperatura de 120 1300C., en que experimentaun encogimiento del 3 al 3,5°/o.

A los 1600C. pierde por completo su tenacidad por hallarse en estado próximo a lafusión, por lo que no debe someterse a tratamientos térmicos superiores a los 140 1450C.Su conductividad térmica es muy baja y consecuentemente esta fibra puede jugar unpapel muy importante como aislante.

4.4.5.5. Resistencia a los Rayos Solares. Según parece, el efecto oxidante de los agentesatmosféricos influye bastante sobre su estructura, y el proceso de degradación

aumenta con la temperatura. Sin embargo, la adición de agentes anti oxjdantes a la luzpueden mejorar este inconveniente, y proteger la fibra.

4.4.5.6. Resistencia a los agentes químicos. Dada su estructura molecular, los agentesquímicos tienen poca o nula influencia sobre ella, resistiendo perfectamente los

ácidos o álcalis en sus varias concentraciones, así como los diversos disolventes orgánicoscomunes, siendo únicamente atacada por los disolventes clorados a elevadas temperaturas.Esta fuerte estabilidad química es precisamente lo que hace que esta fibra sea inteñiblepor los procesos normales, o difícil de teñir. Esto representa para el Polipropileno unagran desventaja con respecto al resto de las fibras sintéticas.

Este inconveniente está siendo superado con el desarrollo de un nuevo tipo de fibramodificada.

4.4.5.7. Usos. Además de usarse como fibra, el Polipropileno se está usando como plás-.tico en los procesos de Inyección y Extrusión, en la elaboración de películas de

Polipropileno como material de empaques. Se usa también en la fabricación de cuerdas,alfombras, tapetes y redes para pescar.

4.5. FIBRAS VINILICAS.Las fibras de Policloruro de Vinilo (PVC) son tal vez de las primeras fibras sintéticas

conocidas, y es originaria de Alemania e inventada por F. Klatte en 1913. Su bajo punto de fu-•sión (1000C.) no contribuyó a difundir mucho su uso en los textiles. En 1936 se introdujotambién en Alemania una fibra de PVC denominada "PeCe", que tampoco ha tenido un pro-greso real en el campo general de las fibras textiles. En 1937 se desarrolló el hilado de un copo-limero de Cloruro de Vinilo con Acetato de Vinilo llamado "Vinyon".

4.5.1. Obtención de Cloruro de Vinilo. El método más popular es la reacción del AcidoClorhídrico (HC1) con el Acetileno, en presencia de Cloruro de Amonio, Cloruro

Cuproso o de Mercurio, y carbón activado para evitar la formación del derivado diclorado:

) una

unaácticasibili-

; de lasoluta

strucdinas.lades.ación.mero>logia

1 conn del'rietil

leno.1 unamero3lizar:oholcen-

as de

ruye

da laita a

horaatajarulos.pro-culo

HC CH + HC1 -----> CH2 CHCI

93

Otro método consiste en hacer reaccionar Etileno con Cloro para dar Dicloro-etileno yluego calentar este a 550 0C. y 4 atmósferas para conseguir su desdoblamiento:

5500C.CH2C1. CH2C1 -› CH2 CHC1 + HC1

4 atm.

El radical vinílico CH2 ,--CH — tiene una gran facilidad de polimerización produciendo cade-nas largas y abiertas. Esta capacidad de reacción aumenta cuando el radical está unido aradicales negativos tales como el C1, CO, COOH, etc.

4.5.2. Polimerización del Cloruro de Vinilo. La polimerización del Cloruro de Vinilogeneralmente se hace bien sea por emulsión o por suspensión y en presencia de un

radical libre, dando lugar a los tres pasos clásicos de toda polimerización por adición:IniciaciónPropagación

c) Terminación4.5.2.1. Polimerización por Emulsión. Para este proceso se utilizan activadores solubles

en el agua (a diferencia del procedimiento en suspensión que usa activadoressolubles en el monómero), y en presencia de un emulsificante con actividad aniónica ocatiónica. Se obtienen partículas primarias o polímero de tamaño variable.Las partículas con un tamaño aproximado de 1 m forman con la fase acuosa unaemulsión de donde se deriva el nombre del procedimiento. La elevada estabilidad de estetipo de emulsión permite realizar este procedimiento a escala industrial y en formacontinua.

4.5.2.2. Polimerización por Suspensión. Este método es el industrialmente utilizado.Se emplea agua como medio y Alcohol Polivinílico como agente de suspensión.

El catalizador es el Peróxido de Benzoilo. Una fórmula típica es la siguiente:

100 partes de Cloruro de Vinilo0,1 a 0,2 partes de Peróxido de Benzoilo200 partes de agua0,05 a 0,1 partes de Alcohol Polivinílico

La relación entre el monómero y el agua puede variarse entre amplios límites.Las resinas de tipo comercial son retenidas poco o nada sobre el tamiz No. 100 y quedanretenidas entre 30 y 80 0/o sobre el tamiz de malla No. 200.Este tamaño de partícula se consigue por agitación rápida en autoclave revestido de plomo o de vidrio o temperatura entre 35 a 450C.

4.5.3. Proceso de Hilandería. Para su hilandería se hace una solución de 28% de Clorurode Polivinilo en Acetona seco y después se extruye a través de boquillas en un

baño de agua fría. Las boquillas son de Tántalo y tienen generalmente 120 orificios de0,08mm. de diámetro. Cuando los filamentos son extruidos en el agua, la acetona sedisuelve en el agua.Antes de embobinar la hilaza, es estirada unas tres veces su longitud inicial. La hilazaasí estirada y embobinada contiene aún 7%de Acetona, la cual es eliminada por evaporación.

4.5.4. Propiedades. La fibra tiene una tenacidad de 1.8 a 2,2 gramos/denier y una elon-gación de 40°/o. Su punto de ablandamiento es de 100 0C. Tiene buena resistencia

a la llama y buena estabilidad química.

4.5.5. Usos y aplicaciones. Las propiedades básicas del Policloruro de Vinilo. su resisten-cia a la meteorización, su inercia química, su resitividad eléctrica y la fácil adapta-

ción de sus propiedades a requisitos específicos, son la causa de su extensivo uso.

No solo sus propiedades eléctricas sino también su resistencia a la oxidación, no-inflamabi-lidad y facilidad de fabricación lo han convertido en un material de primera línea paraaislamiento de conductores y cables.

Los principales usos están en la fabricación de mangueras. tubería de riego, manufactura

94

CH2 = C C12

de películas y láminas, cortinas, manteles, bolsas para ropas, etc.Y

SARANde-o a

Corte seccional microscópico de una fibra representativa de Vinilideno, tal como el SARAN,aumentada unas 500 veces.

4.6. FIBRAS DE VINILIDENO.

Es un termoplástico de propiedades generales muy semejantes al Policroruro de Vinilo.La diferencia más notable con este último es que el Policloruro de Vinilideno es más blando ymenos soluble. Se resblandece y descompone a temperaturas más bajas, cristaliza más fácil-mente y es más resistente a la combustión.

A causa de su solubilidad y temperatura de descomposición relativamente bajas, se usanormalmente en forma de copolímeros con otros monómeros vinílicos, como el Cloruro deVinilo, para ser usados en fibras para tapicería y cortinas, y también en película para envoltorios,tuberías, etc.

4.6.1. Obtención del Cloruro de Vinilideno. Existen varios métodos para producirlo.El primero está basado en la cloración del Acetileno con Tetracloroetano. Otro

método empieza del Etileno, que es dorado bajo condiciones controladas para producir1,1,2-Tricloroetano.

Cl Cl

—CH2 --C—CH2 —C—CH21

C1 ClCloruro de Vinilideno Polímero de Cloruro de Vinilideno

El polímero de Vinilideno tiene un punto de fusión de 150 -1600C. y un punto de descom-posición de 1309C., generando Acido Clorhídrico.En 1940 la Dow Chemical Col. introdujo un nuevo tipo de fibra sintética copolimerizandoel Cloruro de Vinilideno con el Cloruro de Vinilo, al cual denominó "SARAN", y el cualcontiene por lo menos 80% de Cloruro de Vinilideno.4.6.2. Métodos de fabricación de la fibra. En términos generales puede decirse que

el "SARAN" se adapta a los métodos ordinarios usados en la fabricación deMatriz de Monófilamentos Filamentos orientados

a los carretes individualesExtrusor en la devanadora

Filamentos sobreenfriados

Sección de orientación

4 ó 5 vueltas sobre rodillos

Baño deAgua

Rodillos de toma, Rodillos develocidad 1 orientación,

velocidad 4

•Fig. No. 71. Extrusión de monofilamento de sarán.

iiloun

5n:

an

lo

iroundese

iza

)n-

rn-

ta-

Di-Lra

ra

Ramales Extrusados -

Zapatas guías

)les∎ resa o

na.stema

loón.

95

plásticos, con modificaciones menores en el equipo y en las técnicas.

La técnica empleada para la fabricación de filamentos de Sarán consiste en el método llama-do de "orientación cristalina", en la que el polímero pone de manifiesto sus excepcionalespropiedades. La figura No. 71 muestra un proceso típico de extrusión y orientación demonofilamentos de Sarán.

Consiste en alimentar en forma continuada el polímero a un Extruder en donde el materialse funde. El plástico amorfo fundido se extruye en la forma de la sección deseada, directa-mente en un baño de agua, en donde el enfriamiento rápido impide la recristalización. Laforma extruída se conduce por medio de guías a la sección de orientación. Varias vueltasalrededor de los rodillos son suficientes para una buena recogida de los filamentos desde elpunto de extrusión y luego se enrollan finalmente varias veces alrededor de los rodillos deorientación cuya velocidad lineal es 4 veces la de los rodillos de recogida. Por razón de ladiferencia de velocidades, los filamentos experimentan un estiramiento en condiciones regu-ladas y produce la recristalización parcial del Sarán y la orientación de los cristales a lolargo de la fibra. Los filamentos orientados se separan y se elevan a la sección de embobinado.Se puede aplicar tratamiento térmico durante el estirado, o después, para producir el gradode cristalización deseado y regular las propiedades de los filamentos orientados.El peso especifico del Policloruro de Vinilideno es 1,70.

4.7. FIBRAS DE POLIURETANO.Los Poliuretanos tienen una composición polímera muy parecida a la de los Nylons,

excepto que poseen eslabones de oxígeno en la molécula como los Poliésteres:

--NH-(CH2 )6 -NH C-0 -(CH2 )4 -0-CII IIO O

Las fibras de Poliuretano fueron desarrolladas en Alemania durante la última guerra mundial,al tratar de imitar el desarrollo de la invención del Nylon 6,6 hecho por la DuPont por esaépoca. En Europa se conocen con el nombre de Perlón U y su éxito comercial ha sido limitado,especialmente porque no mostraron ventajas sobre la fibra de Nylon, tal como se esperaba, yen algunos aspectos eran inferiores. Un resurgimiento de interés en las fibras de Poliuretano,ha sido el desarrollo de las fibras expandibles como las que reciben los nombres de Lycra yVyrene en los Estados Unidos.

Fig. No. 72. Corte s perional de la fibra I,YCRA.

96

lama-males>n de

terialecta1. Laeltasde elDS dele laegu -a lolado.rad o

.11

Numero de átomos de carbono en:

Di isocianato Glicol Punto de Fusiónoc

4 4 190 4 6 180 4 10 170 5 4 159 6 3 167 6 4 183 6 5 159 6 9 147 8 4 160 8 6 153

12 12 128

lons,

dial,r esaado,2, yano.ra y

A pesar de que el 4 4 Poliuretano es el que tiene mayor punto de fusión, no se produjocomercialmente debido a la dificultad para obtener el Tetrametilen-Di-Isocianato, con elgrado de pureza deseado. El polímero que le sigue en punto de fusión elevado, el 6-4-Poliu-retano, que es el producto de la reacción entre el Hexametilen-Di-Isocianato y el1-4 Butano diol, fue escogido para la producción comercial por los quimicos alemanes, debi-do a que el Isocianato era un producto disponible comercialmente.

La preparación del polímero se puede realizar adicionándole Isocianato al Glicol aumentadolentamente la temperatura hasta cerca de 200 0C. La reacción es exotérmica y se lleva a cabobajo atmósfera de nitrogerro. Los polímeros obtenidos tienen pesos molecularesde 10.000- 15.000 y después de la operación de filtración pueden ser transformados en fibras.Comparadas con las fibras de nylon 66, las fibras de poliuretano (conocidas con el nombre dePerlón U) tienen una resistencia a la tracción que se sitúa entre los valores más elevadosde los correspondientes a aquel; son menos propensas a la coloración del aire; son másresistentes a la acidez y presentan menor absorción de humedad. Por el contrario, las fibrasde poliuretano son menos fáciles de teñir; son duras, resistentes y ásperas en el manejoy tienen puntos de fusión demasiado bajos para ciertas aplicaciones. Corrientemente,estas fibras no tienen gran importancia, pero han encontrado aplicaciones en cerdas,tejidos para filtros, y para tamices y en otras aplicaciones diversas.

4.7.1. Obtención de los Uretanos. Se forman por reacción entre un Isocianato y unAlcohol, de la siguiente manera general;

R NCO + HOR' ----> R-NH COOR'mediante una reacción similar los productos poli-hidroxílicos reaccionan con los poli-hidro-xílicos reaccionan con los poli isocianatos para dar los Poliuretanos. Por ejemplo, en lareacción entre el 1- 4 Butano-diol y el Hexametilen-di isocianato:

HO- (CH2)4 --OH2H0 (CH2)4 OH OCN (CH2)6 NCO

O (CH2)4 OOCNH (CH2 )6 NHCOO (CH2 )40

que es precisamente un polimero formador de fibras (Perlon U).Aunque en muchos aspectos esta reacción se parece a la de la formación de los Poliésteresy las Poliamidas, no se trata de una Policondensación, sino que envuelve una transferenciade átomos de Hidrógeno.Actualmente el término Poliuretano se extiende a la denominación de todos los productoscomplejos procedentes de la reacción de los Isocianatos y de los productos Poli-hidroxílicoso Polioles. En la siguiente tabla aparecen los diferentes di Isocianatos y compuestos hidro-xílicos (Glicoles) desarrollados, con sus respectivos puntos de fusión:

4.7.2. Puntos de fusión de algunos Poliuretanos. Como ya se ha indicado anteriormentela investigación inicial sobre los poliuretanos estaba dirigida hacia la preparación

de polimeros formadores de fibras. Con este fin se utilizaron muchos compuestos hidroxilicosy muchos Di-lsocianatos; los puntos de fusión de algunos de los mas lineales poliuretanosalifáticos producidos aparecen en la tabla anterior.

Estos valores se parecen en muchos aspectos a los de los poliamidas alifaticas Ambos tiposde polimeros pueden formar enlaces de hidrógeno y, en ambos casos, cuanto mayor c, s ladistancia entre los grupos amida o uretano más bajo es el punto de fusión con tal de que hallaun número par de átomo de carbono entre los grupos característicos Tanto las poliamidascomo los poliuretanos con un número impar de átomos de carbono, tienen puntos defusión más bajos que los polímeros con un átomo más, es decir, con un número par deátomos de carbono.Los poliuretanos lineales utilizados para fabricar fibras pueden utilizarse como materialestermoplástico moldeables por inyección extrusion

4.8 FIBRAS DE VIDRIO.

4.8.1. Definición y composición. Las fibras de vidrio son fibras manufacturadas en lascuales la sustancia formadora es básicamente VIDRIO

Los ingredientes primarios del vidrio son: Arena, Cal y algunas veces se incluyen otros cons-tituyentes tales como el Hidroxido de Aluminio Al(OH)1 1 el Carbonato de Sodio y elBorax. La fabricación del vidrio puede hacerse por fusión en un horno electrico, mezclandolos ingredientes juntos. El compuesto formado no tiene una composición quimica definidani tampoco hay lugar a cristalización. El vidrio puede considerarse como un liquido sobre-enfriado.

4.8.2. Manufactura de las fibras de vidrio. Actualmente existen en el mercado tres tiposdiferentes de productos fabricados con fibra de vidrio cuya descripción y carac-

terísticas son las siguientes:lo. Un producto en forma continua cuyo principal productor en los Estados

Unidos en la Johns Manville, registrado con el nombre de J.M. FIBER GLASS YARN.Tiene forma seccional redonda, un peso especifico de 2,54, una resistencia a la tensiónde 215.000 a 315.000 psi. y una tenacidad de 300 gramos/denier.

2o. Un producto que en su mayor parte esta constituido por vidrio en forma fi-brosa para usos textiles, producida por la OWENS CORNING con el nombre de FIBERGLAS. Tiene un peso especifico de 2,54, una resistencia a la tensión de 200.000 a 220.000psi y una tenacidad de 322 gramos/denier.

3o. Hilaza de fibra de vidrio para usos textiles y Rovings producida por laPITTSBURGH PLATE GLASS con el nombre registrado de FIBER CLASS. Tiene un pesoespecifico de 2.54 y una resistencia a la tensión de 200.000 psi mínimo.

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Igualmente cabe mencionar que la fobra de vidrie puede convertirse en fibra corta, o bienlas fibras cortas pueden reunirse en napas de aspecto similar a las mantas de lana, opueden comprimirse y ligarse con resinas para formar paneles4.8.3. Propiedades. La fibra de vidrio posee excelentes propiedades de aislamiento al

calor. electricidad y acustica. La fibra no es combustible y resiste bien a losproductos químicos, excepto al Acido Fluorhidrico.

Posee buena resistencia al calor y solo, entre 1.350 1.5600F. comienza a fundirse.

No tiene afinidad a los colorantes y para colorearlo hay que usar pigmentos unidos a resinas.Su absorción de humedad es nula y su recuperación elástica es del 100%. Su elongación es desolo 3 4%.

En la siguiente tabla se relacionan otras propiedades de la fibra de vidrio, tanto para elfilamento como para la fibra corta:

TIPO . Filamento Fibra corta

Peso Especifico 2.54 2.49Reprise de humedad Ninguna NingunaTenacidad, g/den

En seco 6,0 —7,3 6,0 —7,3En húmedo 3,9 — 4,7

Alargamiento. co:Normal 3 — 4 4.5En húmedo 2.5 -- 3.5

Recuperación elástica 100%

4.8.4. Aplicaciones y Usos. Una de las mas interesantes aplicaciones de la fibra devidrio es la del refuerzo de plásticos, donde su elevado módulo es de importancia.

Tales refuerzos se hacen generalmente en el Poliester y se emplea en carrocerías de auto-móviles, cabinas de camiones, botes y asientos de autobuses.Los tejidos de fibra de vidrio revestidos y resistentes a la llama se emplean mucho tambiénpara tapizado de aviones. ductos de aire caliente, cortinas, tuberías flexibles, cubiertas deembarcaciones, para confeccionar vestidos contra el fuego, etc.En el campo eléctrico se emplea como aislamiento en. el equipo rotativo y en transforma-dores. Las aplicaciones de conductores eléctricos y cables dependen también de los materia-les de la fibra de vidrio para un servicio más seguro durante sobrecargas especiales, asicomo durante condiciones operativas normales pero a largo plazo.Otras aplicaciones en el campo de la construcción son los paneles corrugados reforzadoscon napa de fibras de vidrio, los tejidos de fibra de vidrio empleados como refuerzo enláminas ondulantes para techo.

Finalmente, algunos tanques de almacenamiento se refuerian con esta fibra cuando serequiere resistencia a los aceites y líquidos corrosivos.

4.9. FIBRAS FLUOROCARBONADAS.El más sobresaliente de este género de fibras es el "Teflon" proveniente del polimero

de Tetrafluoroetileno. Fue presentado poi primera vez en cantidades experimentales por laDuPont en 1954 y patentada por esa misma compañía con el nombre de Tenían. Sin embargo,esta misma marca registrada cobija una gran familia de fibras de Tetrafluoroetileno y monofilamentos de copolímero de Tetrafluoroetileno/Hexafluoropropileno.

4.9.1. Propiedades químicas. La fibra Teflón TFE es la fibra más resistente a los productosquímicos que se conoce. Su estructura molecular especial la hace inerte a agentes

oxidantes tan poderosos como el Acido Sulfúrico en ebullición, el Acido Nitrico concentrado, "I Hidróxido de Sodio y el Agua Regia. Los únicos disolventes conocidos para el

99

100

Teflón TFE son ciertos líquidos orgánicos perfluorinados a temperaturas superiores a5700F

4.9.2. Propiedades térmicas. La fibra Teflon es muy resistente a la degradación al calor.La exposición a temperaturas inferiores a 4000F no la degradan en absoluto.

Igualmente puede exponerse a temperaturas por encima de los 500 0 F. durante largos perio-dos de tiempo, y hasta 600 0 F. durante breves exposiciones.

4.9.3. Propiedades eléctricas. Posee excelentes propiedades eléctricas.

4.9.4. Características textiles de la fibra. El monofilamento de Fluorocarbono TeflónFEP tiene una tenacidad entre 0,5 y 0,6 gramos/denier, un alargamiento a la rotura

entre 50 y 60°/a. Su peso específico es de 2,1. Nci absorbe agua en absoluto, es completamentehidrófugo.

4.9.5. Aplicaciones y Usos. Las propiedades de esta fibra la hacen especialmente apro-piada para empaquetaduras de bombas y válvulas (automóviles, aviones, etc.)

tela para filtros (especialmente bolsas para recogida de polvo) prendas protectoras, trajesespaciales, hilos de coser, etc.

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Teflon'roturaamente

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BIBLIOGRAFIA

Textiles Panamericanos, noviembre de 1962.Revista Colombia Textil. No. 13. Año 5, 1968.

Textiles Panamericanos, enero de 1973.Boletín Textil Internacional, No. 3 de 1965.Química de los Polímeros, por Roberto Chalita.Tecnología de las Fibras Artificiales derivadas de Polímeros Sintéticos, por Rowland Hill.El Nylon la Fibra Versátil, por Roberto Chalita.The effect of spinning conditions on the textile characteristics of Synthetic Fibers,by A.B. Paksver.

Handbook of Textile Fibers, by J. Gordon Cook.Texbook of Polymer Chemistry, by Fred W. Bill Meyer.SIT Industrial, mayo/junio de 1974.

Revista Colombia Textil, No. 24 de noviembre de 1971.

American Dyestuff Reporter, noviembre 28 de 1960.Man-Made Textile Encyclopedia, by J.J. Press.

INDICE

INTRODUCCION

CAPITULO 1

1.1. Historia de las Fibras Sintéticas 31.2. Usos y Clasificación de las Fibras 41.3. Sistema para numerar las Fibras 71.4. Relación entre el Denier y el Diámetro de los Filamentos 91.5. Propiedades de las Fibras 9

1.5.1. Regain 91.5.2. Densidad 101.5.3. Recuperación Elástica 111.5.4. Elasticidad de Longitud 111.5.5. Resistencia de las Fibras 131.5.6. Examen microscópico de las Fibras 141.5.7. Uniformidad de las Fibras • 21

CAPITULO II

2.1. Diferencias entre las Fibras Naturales y Sintéticas 272.2. Estructura Molecular de las Fibras 272.3. Influencia del arreglo Molecular 282.4. Influencia de los enlaces Intermoleculares en las Fibras 292.5. Orientación Molecular de las Fibras 292.6. Métodos empleados para evidenciar la orientación de las Moléculas 31

2.6.1. Hinchamiento no-isotrópico 312.6.2. Bi-refrigencia 312.6.3. Dicroísmo 322.6.4. Análisis por Rayos X 32

2.7. Cristalinidad 332.8. Sínt'sis de las sustancias productoras de Fibras 34

2.8.1. Polimerización por Condensación 352.8.2. Condensación Intermolecular 362.8.3. Fibras que se fabrican por Polimerización por Condensación 372.8.4. Polimerización por Adición 372.8.5. Procesos empleados en la Polimerización por Adición 38

2.8.5.1. Iniciación 382.8.5.2. Propagación 382.8.5.3. Terminación 39

2.8.6. Fibras que se fabrican por Polimerización por Adición 39

CAPITULO III

3.1. Celulosa 433.1.1. Estructura Química 433.1.2. Influencia del peso Molecular de la Celulosa 443.1.3. Estructura de la Fibra de Celulosa 443.1.4. Reacciones Generales 443.1.5. Propiedades Físicas 443.1.6. Propiedades Opticas 453.1.7. Identificaciones 453.1.8. Derivados de Celulosa 45

3.2. Fibras de Acetato de Celulosa 453.2.1. Manufactura del Acetato de Celulosa 463.2.2. Hilandería del Acetato de Celulosa 473.2.3. Propiedades de la Fibra de Acetato de Celulosa 483.2.4. Aplicaciones 49

3.3. Fibras de Rayón Viscosa 493.3.1. Naturaleza Química 493.3.2. Reacciones Químicas 493.3.3. Proceso de Manufactura 503.3.4. Propiedades de Rayón Viscosa 513.3.5. Usos 53

3.4. Rayón Cupramonio 533.4.1. Constitución Química 533.4.2. Proceso de Manufactura 53

3.4.2.1. Método Clásico 533.4,2.2. Método continuo Moderno 54

3.4.2. Propiedades 54

CAPITULO IV

4.1. Fibras Poliamídicas 57

4.1.1. Obtención de las Poliamídicas 574.1.1.1. Obtención del Nylon 6,6 574.1.1.2. Polimerización del Nylon 6,6 624.1.1.3. Poliamídas obtenidas a partir de Lactamas de Aminoácidos 644.1.1.4. Obtención de la Caprolactama 644.1.1.5. Polimerización de la Caprolactama 67

4.1.2. Hilandería del Nylon 6,6 68

4.1.3. Propiedades del Nylon 714.1.3.1. Propiedades Térmicas 714.1.3.2. Propiedades Opticas 714.1.3.3. Propiedades Mecánicas 724.1.3.4. Propiedades Eléctricas 744.1.3.5. Resistencia a la luz 744.1.3.6 Propiedades Opticas 75

4.1.4. U-tos del Nylon 754.2. Fibras Poliéstericas 76

4.2.1. Obtención de los Intermedios 76

4.2.2. Proceso de Polimerización 78

4.2.3. Proceso de Hilandería 80

4.2.4. Propiedades 814.2.4.1. Propiedades Físicas 814.2.4.2. Propiedades de Recuperación 824.2.4.3. Propiedades Térmicas • 834.2.4.4. Teñido 834.2.4.5. Propiedades Químicas 834.2.4.6. Propiedades Biológicas 83

4.2.5. Mezclas con otras Fibras 83

4.2.6. Mayores productos de Poliéster 844.3. Fibras Acrílicas 84

4.3.1. Definición 85

4.3.2. Obtención del Acrilonitrilo 85

4.3.3. Polimerización del Acrilonitrilo 86

4.3.4. Hilandería del Polímero 884.3.4.1. Proceso en Húmedo 884.3.4.2. Proceso en Seco 89

4.3.5. Propiedades y Usos 89

4.3.6. Identificación 90

4.3.7. Productores de Fibras Acrílicas 904.4. Fibras de Polipropileno 90

4.4.1. Obtención del Propileno 91

4.4.2. Estructu .ra Química del Polipropileno 91

4.4.3. Polimerización del Propileno 92

4.4.4. Hilandería del Polipropileno 92

4.4.5. Propiedades 924.4.5.1. Densidad 924.4.5.2. Absorción de Humedad 934.4.5.3. Propiedades Mecánicas 934.4.5.4. Propiedades Térmicas 934.4.5.5. Resistencia a los Rayos Solares 93

4.4.5.6. Resistencia a los Agentes Químicos 934.4.5.7. Usos 93

4.5. Fibras Vinílicas 934.5.1. Obtención de Cloruro de Vinilo 934.5.2. Polimerización del Cloruro de Vinilo 94

4.5.2.1. Polimerización por Emulsión 944.5.2.2. Polimerización por Suspensión 94

4.5.3. Proceso de Hilandería 944.5.4. Propiedades 944.5.5. Usos y Aplicaciones 94

4.6. Fibras de Vinilideno 954.6.1. Obtención de Cloruro de Vinilideno 954.6.2. Métodos de Fabricación de la Fibra 95

4.7. Fibras de Poliuretano 96

4.7.1. Obtención de los Uretanos 974.7.2. Puntos de Fusión de algunos Poliuretanos 98

4.8. Fibras de Vidrio 984.8.1. Definición y composición de las Fibras 984.8.2. Manufactura de las Fibras de Vidrio . 984.8.3. Propiedades 994.8.4. Aplicaciones y Usos 99

4.9. Fibras Fluorocarbonadas 994.9.1. Propiedades Químicas 994.9.2. Propiedades Térmicas 1004.9.3. Propiedades Eléctricas 1004.9.4. Características Textiles de la Fibra • 1004.9.5. Aplicaciones y Usos 100