Polímeros celulósicos

Los polímeros celulósicos son producidos por modificación química o natural de la celulosa. Los ejemplos más comunes son el celofán y el acetato de celulosa. Fibras de algodón y de madera son las principales materias primas utilizadas para la producción de celulosa de uso industrial.

Monómero de la celulosa

La celulosa es un complejo polisacárido con morfología cristalina. Químicamente, la celulosa es parecida al almidón: ambos son polímeros de glucosa. Sin embargo, la celulosa es más resistente a la hidrólisis, por esta razón la modificación de la misma es más costosa, requiriendo condiciones de procesamiento más importantes.

Obtención

Los polímeros celulósicos son producidos principalmente a partir de madera, pero algunas veces la celulosa a partir de fibras de algodón también es usada (puede contener hasta un 95% de celulosa pura, mientras que la madera contiene alrededor de un 50%). Actualmente existen dos tipos de procesos para separar la celulosa del resto de los componentes de la madera (lignina y hemicelulosa) -a partir de los cuales se llega a obtener celulosa de una pureza cercana al 97%-, un proceso de tipo químico (también denominado “Fraft”) y uno de tipo mecánico.

El celofán, un tipo de celulosa regenerada, es producido mediante trituración de la pulpa de madera y tratamiento con soda cáustica. Posteriormente, una vez concluida la despolimerización, se agrega sulfuro de carbono lo cual forma un compuesto denominado “xantato de celulosa” el cual se disuelve con el agregado de soda cáustica formando una solución amarillenta denominada “viscosa”. La viscosa es extruida en un baño ácido para regeneración en forma de film.

Los tipos de polímeros celulósicos más importantes son los siguientes:

• acetato de celulosa [CH3COOC2H5], fabricado a partir de la reacción entre la celulosa y el ácido acético.
• acetato butirato de celulosa, es un éster compuesto producido por el tratado de fibras de celulosa con ácido butírico [CH3CH2CH2COOH], anhídrido butírico [(CH3CH2CH2CO)2O], ácido acético[CH3COOH] y anhídrido acético [(CH3CO)2O] en presencia de ácido sulfúrico [H2SO4].
• propionato de celulosa, formado al tratar las fibras de celulosa con ácido propiónico [CH3CH2CO2H], ácido acético y anhídridos en presencia de ácido sulfúrico.
• nitrato de celulosa, fabricado al tratar las fibras de celulosa con una mezcla de ácido nítrico [HNO3] y ácido sulfúrico.

Fibras celulósicas

Las fibras de viscosa (también denominado como “rayón” o “celulosa regenerada”) son fabricadas mediante el mismo proceso de obtención del celofán, excepto que la solución de viscosa (xantato de celulosa) es bombeada a través de un hilador, que contiene cientos de orificios, hacia un baño de ácido sulfúrico diluido de modo que la celulosa es regenerada como finos filamentos a medida que el xantato se descompone.

Proceso de obtención de celulosa regenerada

En 1992 se desarrolló un proceso para producir celulosa regenerada: el proceso Lyocell, en el cual la pulpa de celulosa se disuelve en el solvente óxido N-metilmorfolin (NMMO). Ésta solución es luego filtrada y pasada a través de un hilador para obtener los filamentos que se hilan en agua. El NMMO se recupera de la solución acuosa para su reuso.

El proceso Celsol y CC son similares al Lyocell excepto que el NMMO como activador de la celulosa es reemplazado por enzimas en el proceso Celsol y por urea en el proceso CC. Se ha demostrado que el proceso Lyocell es el que usa menor cantidad de químicos a lo largo del proceso en comparación con el resto.

El acetato de celulosa, siendo soluble en solventes orgánicos como acetona, es también apropiado para hilado en fibras, las cuales se denominan “fibras de acetato”. La celulosa a partir de la madera es hinchada con ácido acético, convertida en acetato de celulosa usando anhídrido acético y luego disuelta en acetona. La solución viscosa resultante es bombeada a través de hiladores formando, en aire caliente, filamentos. La acetona se evapora y es recuperada.

Celulosa a partir de bacterias

Si bien la celulosa para propósitos industriales se obtiene generalmente de las plantas, se está desarrollando la producción por medio de una bacteria denominada Acetobacter xylinum que genera celulosa en condiciones de fermentación agitada. Para dicho proceso se utilizan como alimento para la bacteria desechos agrícolas de gran diversidad, lo cual hace a esta tecnología de gran potencial a futuro.

Propiedades

Los polímeros celulósicos tienen buenas propiedades mecánicas pero son muy sensibles a la humedad. El celofán es generalmente recubierto con una cera de nitrocelulosa (NCW) o cloruro de polivinilo (PVC) para mejorar sus propiedades hidrofílicas.

El acetato, butirato y propionato de celulosa, comúnmente usados en la industria eléctrica y para aplicaciones electrónicas, tienen propiedades antiestáticas, gran resistencia eléctrica, son transparentes, duros y resistentes y soportan grandes tensiones térmicas; sin embargo, sufren de deterioro frente a la exposición del medio ambiente.

Las fibras de viscosa, como las del algodón, tienen gran capacidad para absorber humedad, se secan rápido, no se reducen al calentar y son biodegradables.

Las fibras de Lyocell también son absorbentes de la humedad y tienen mayor resistencia mecánica (en seco) que cualquier otro derivado de la celulosa siendo de valores cercanos a las de los poliésteres. Incluso conservan el 85% de su resistencia al humedecerse. Tienen gran aplicación en la industria textil.

La celulosa obtenida a partir de bacterias (biocelulosa) es químicamente pura, libre de lignina y de hemicelulosa, posee un alto grado de cristalinidad y un alto grado de polimerización que la distingue del resto de los tipos de celulosa. Posee gran resistencia mecánica lo que la hace ideal para materiales moldeados de resistencia relativamente alta.

Sustituciones técnicas potenciales

Las celulosas regeneradas y derivados de celulosa pueden sustituir a las fibras de celulosa natural y otras fibras de índole sintética. Algunas fibras pueden reemplazar parcialmente al poliéster, nylon y polipropileno. El acetato de celulosa puede ser combinado con termoplásticos derivados del almidón (TPS) y reemplazar termoplásticos sintéticos. Otra posible sustitución, especialmente para la celulosa a partir de bacterias, puede ser en el campo de las aplicaciones para alta tecnología.

Aplicaciones

Además de las aplicaciones en el sector de films, los polímeros celulósicos pueden también ser usados para procesos de moldeo y extrusión. Los derivados más comunes para estas aplicaciones son el acetato de celulosa, el acetato butirato de celulosa y el acetato propionato de celulosa. Los productos pueden ser desde juguetes y packaging hasta partes para automóviles, así como también material para aislamiento eléctrico.

La celulosa regenerada suele usarse para fines de uso en indumentaria, generalmente combinada con otras fibras. Una versión de este producto se utiliza en Europa para reforzar neumáticos de alta velocidad. De los distintos derivados celulósicos solamente dos son de importancia comercial para la producción de fibras en la actualidad: el acetato y el éster de xantato.

Polímeros generados a partir de lignina

Merece una mención especial el desarrollo en los últimos años de tecnologías para producir polímeros generados a partir de lignina. Ésta es un producto derivado de la industria papelera (es separada de la celulosa para fabricar la pulpa) y se estima que su producción anual es de 50 millones de toneladas por año.

En el proceso de obtención, la lignina se mezcla con fibras naturales (lino, cáñamo u otras fibras vegetales) y aditivos naturales generando una fibra compuesta que puede ser procesada a altas temperaturas y, como si fuera un material termoplástico sintético, puede ser moldeada en máquinas de procesamiento de plástico convencionales.

Sus aplicaciones son sumamente diversas y pueden darse en la industria de la construcción, en la fabricación de piezas para el interior de automóviles, muebles, juguetes, instrumentos musicales, instrumentos de precisión, etc.

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