Fibras poliméricas

Fibras poliméricas

Introducción

Una fibra polimérica es un polímero cuyas cadenas están extendidas en línea recta (o casi recta) una al lado de la otra a lo largo de un mismo eje, como se observa a continuación.

Disposición de las cadenas poliméricas en las fibras

Los polímeros ordenados en fibras, pueden ser hilados y usados como textiles. Las prendas de vestir, como así también las alfombras y sogas están hechas de fibras poliméricas. Algunos de los polímeros que pueden ser empleados como fibras son el polietileno, polipropileno, nylon, poliéster, kevlar y nomex, poliacrilonitrilo, la celulosa y los poliuretanos, entre otros.
Las fibras están siempre constituidas por polímeros dispuestos en cristales. Tienen que ser capaces de poder empaquetarse según un ordenamiento regular, a los efectos de alinearse en forma de fibras. De hecho, las fibras son cristales. Esto se demuestra observando detenidamente la forma en la que, por ejemplo, el nylon 6,6 se empaqueta formando fibras cristalinas.

Los enlaces por puente de hidrógeno y otras interacciones secundarias entre cadenas individuales, mantienen fuertemente unidas a las cadenas poliméricas. Esta interacción es tan elevada que las cadenas prácticamente no se deslizan una sobre otra. Esto significa que cuando se estiran las fibras de nylon, no se extienden mucho, si es que lo hacen. Lo cual explica por qué las fibras son ideales para emplearlas en hilos y sogas.
Si bien las fibras poseen elevada fuerza tensil, es decir que son resistentes cuando se las estira, por lo general tienen baja fuerza compresional, o sea, son débiles cuando se aprietan o se comprimen. Además, las fibras tienden a ser resistentes en una dirección, la dirección en la cual están orientadas. Si se las estira en ángulos rectos a la dirección de su orientación, tienden a debilitarse.

Fabricación de fibras
La mayoría fibras sintéticas y celulósicas manufacturadas son creados por extrusión, que en resumen es obligar a un fluido espeso y viscoso a través de los pequeños orificios de un dispositivo llamado spinneret (hilera o hilador) para formar filamentos continuos de polímero semisólido.
En su estado inicial, los polímeros formadores de fibras son sólidos y por lo tanto deben ser primero convertidos en un estado fluido para la extrusión. Esto se consigue normalmente por el trabajo mecánico del tornillo del extrusor y aporte de calor de las resistencias, si los polímeros son materiales sintéticos termoplásticos (es decir, se ablandan y se funden cuando se calientan), o por disolución en un disolvente adecuado si son no termoplásticos celulósicos. Si no pueden ser disueltos o fundidos directamente, deben ser tratados químicamente para formar derivados solubles o termoplásticos. Tecnologías recientes se han desarrollado para algunas fibras hechas de polímeros especiales que no se funden, se disuelven, o formar derivados adecuados. Para estos materiales, las moléculas pequeñas del fluido se mezclan y reaccionan para formar los polímeros de otro modo intratables en el proceso de extrusión.

Esquema de producción de fibras por hilado en fusión

El spinneret
Las hileras (spinneret) utilizados en la producción de la mayoría de las fibras manufacturadas son similares, en principio, a un cabezal de ducha del baño. Una hilera puede tener de uno a varios cientos de agujeros. Las aberturas pequeñas del spinneret son muy sensibles a las impurezas y la corrosión. La alimentación líquida o fluida hacia ellos deben ser cuidadosamente filtrada (no es una tarea fácil con materiales muy viscosos) y, en algunos casos, la hilera debe ser hecha de metales muy caros y resistentes a la corrosión. El mantenimiento es también un factor crítico, y las hileras deben ser retiradas y limpiadas con regularidad para evitar la obstrucción.

Spinneret

A medida que los filamentos salen de los orificios de la hilera, el polímero líquido se convierte primero en un estado gomoso y luego se solidifica. Este proceso de extrusión y la solidificación de filamentos continuos se llama hilado (no debe confundirse con la operación de textil del mismo nombre, donde las fibras cortadas en hilos cortos son retorcidos en hilo). Hay cuatro métodos de hilar filamentos de fibras manufacturadas:
Hilado en húmedo.
Hilado en seco.
Hilado por fusión.
Hilado en gel.

Hilado en húmedo
El hilado en húmedo es el proceso más antiguo. Se utiliza para sustancias formadoras de fibras que han sido disueltos en un disolvente. Los spinnerets están sumergidos en un baño químico y los filamentos que emergen precipitan de la solución y se solidifican.
Debido a que la solución es extruida directamente en el líquido de precipitación, este proceso para la fabricación de fibras se llama hilado en húmedo. Pueden ser producidas por este proceso las fibras acrílicas, rayón, aramida, modacrílicas y spandex.

Esquema de hilado en húmedo de fibra acrílica

Hilado en húmedo

Hilado en seco
El hilado en seco se utiliza también para sustancias formadores de fibras en solución. Sin embargo, en lugar de precipitar el polímero en dilución por reacción química, la solidificación se consigue mediante la evaporación del disolvente en una corriente de aire o gas inerte.
Los filamentos no entran en contacto con un líquido de precipitación, lo que elimina la necesidad de secado y facilitar la recuperación de disolventes. Este proceso puede ser utilizado para la producción de fibras de acetato, triacetato, acrílico, modacrílicas, PBI (Polibenzimidazol), spandex y Vinyon (policloruro de vinilo).

Esquema de hilado en seca de fibra acrílica

Hilatura por fusión
En la hilatura por fusión, la sustancia de formación de fibras se funde por extrusión a través de la hilera y luego directamente solidifica por enfriamiento. Las fibras de nylon (poliamida), olefinas, poliéster, Saran (copolímero de cloruro de vinilideno y cloruro de vinilo) y sulfar (polisulfuro de fenileno) se producen mediante este proceso.
Las fibras hiladas por fusión pueden ser extruidas de la hilera en diferentes formas de sección transversal (redondo, trilobular, pentagonal, octogonal, y otros) para brindar diversas propiedades y texturas a la fibra. Por ejemplo, las fibras en forma trilobal reflejan más la luz y dan un brillo atractivo para los textiles. Las fibras de forma pentagonal y huecas, cuando se utilizan en alfombras, muestran menos la tierra y la suciedad. Las fibras en forma octogonal ofrecen efectos libres de brillo. Las fibras huecas atrapan el aire, creando aislamiento y proporcionar características elevadas, iguales o mejor que el plumón.

Esquema de hilado por fusión de fibra poliéster

Fibra poliéster

Hilatura en gel
La hilatura en gel es un proceso especial utilizado para obtener fibras especiales con alta resistencia u otras propiedades. El polímero no se encuentra verdaderamente en un estado líquido durante la extrusión. Las cadenas de polímero no están completamente separadas como lo estarían en una verdadera solución, sino que están unidas entre sí en diversos puntos en forma de cristal líquido. Esto produce fuertes fuerzas de atracción entre las cadenas poliméricas en los filamentos resultantes que pueden aumentar significativamente la resistencia a la tracción de las fibras. Además, los cristales líquidos se alinean a lo largo del eje de la fibra por las fuerzas de cizallamiento durante la extrusión. Los filamentos emergen con un grado inusualmente alto de orientación, mejorando aún más la fuerza. El proceso también puede ser descrito como hilatura seco-húmeda, ya que los filamentos primero pasan a través de aire y luego se enfrían adicionalmente en un baño líquido. Algunas fibras de polietileno y de aramida de alta resistencia son producidas por hilatura en gel.

Estiramiento y Orientación
Mientras que las fibras extruidas se solidifica, o en algunos casos incluso después de que se han endurecido, los filamentos se pueden estirar para impartir resistencia. Al ser estiradas, las cadenas moleculares se juntan y orientan a lo largo del eje de la fibra, creando un hilo considerablemente más fuerte.

Por lo general el estirado de los filamentos se consigue pasándolos por rodillos que giran a diferentes velocidades. Primeramente los filamentos pasan por rodillos que los calientan hasta la temperatura de transición vítrea, para evitar la rotura de los mismos durante el estirado. Luego pasan por los rodillos de estirado y posteriormente por rodillos estabilizadores para evitar que se encojan nuevamente.

Medición de la fibra
Denier
El denier es la unidad de medida del Sistema Inglés de la densidad lineal de masa de fibras. Se define como la masa en gramos por cada 9.000 metros de fibra.
Se distingue entre denier de filamento y denier total. Ambos se definen como lo dicho en el párrafo anterior, pero el primero (conocido como Denier Por Filamento o D.P.F.), se refiere únicamente a un filamento de la fibra, mientras que el otro se refiere a una aglomeración de filamentos.
La siguiente relación se aplica a los filamentos unitarios:
D.P.F. = Denier Total / Cantidad de Filamentos Uniformes

El sistema denier de medición se usa para fibras de uno y dos filamentos. Algunos cálculos comunes son los siguientes: 1 denier = 1 gramo por 9.000 metros 1 denier = 0,05 gramos por 450 metros (1/20 del anterior)
- Una fibra generalmente se considera como microfibra si es de 1 denier o menos.
- Una fibra poliéster de 1 denier tiene un diámetro de alrededor de 10 micrómetros.
- El denier se usa como medida de densidad para medias, lo cual define su opacidad.

Tex
El Tex es otra unidad de medida utilizada para medir la densidad o la masa lineal de una fibra. Se define como la masa, expresada en gramos, por cada 1000 metros de fibra. El Tex se emplea habitualmente en Canadá y Europa, mientras que en Estados Unidos es más común el empleo del denier. La unidad más usada es en realidad el decitex (dtex) que es la masa en gramos por cada 10000 metros de fibra. Para medir objetos compuestos por múltiples fibras se utiliza a veces el término "filament tex", referido a la masa por cada 10000 metros de un único filamento.
El Tex se utiliza para medir el tamaño de las fibras en muchos productos, como por ejemplo, filtros de cigarrillos, cables ópticos, hilos y tejidos.
Se puede calcular el diámetro de un filamento a partir de su peso en dtex aplicando la siguiente fórmula:

ρ: es la densidad del material en g/cm³

El diámetro estará dado en centímetros.

Características
Tabla de principales características de diferentes fibras

Fibra	Resistencia	Denier	Resistencia a la abrasión	Resilencia	Resistencia al desgaste	Gravedad especifica
Algodón	Buena	3.0-5.0	Buena	Pobre	Excelente	1.54
Lino	Excelente	6.6-8.4	Mediana	Pobre	Excelente	1.52
Lana	Pobre	0.8-2.0	Mediana	Buena	Mediana	1.32
Seda	Buena	3.9-4.5	Mediana	Mediana	Buena	1.30
Rayón-viscosa	Mediana	0.7-6.0	Mediana	Pobre	Buena	1.54
Acetato	Pobre	0.8-1.5	Pobre	Pobre	Buena	1.32
Triacetato	Pobre	-	Pobre	Buena	Buena	1.30
Acrílico	Mediana	1.8-3.5	Pobre	Buena	Mediana	1.19
Vidrio	Excelente	6.0-7.0	Pobre	Excelente	Excelente	2.54
Nylon	Excelente	2.5-7.5	Excelente	Excelente	Pobre	1.14
Poliéster	Excelente	2.5-9.5	Excelente	Excelente	Pobre	1.38
Spandex	Pobre	0.6-0.9	Pobre	Excelente	Excelente	1.21