Acetato de celulosa

Fórmula estructural del acetato de celulosa.

El acetato de celulosa (también conocido como zyl, zylonita, Cellon y Rhodoid), elaborado por primera vez en 1865, es el éster de acetato de celulosa. El acetato de celulosa es empleado como una base para películas de fotografía, como barniz (incluso para el sector aeroespacial en la Primera Guerra Mundial), como un componente de algunos adhesivos o explosivos y como un material en las monturas de las gafas; también es usado como fibra textil y en la fabricación de plumas estilográficas, filtros de cigarrillos, bloques lego y barajas.

Historia

En 1865, Paul Schützenberger descubrió que la celulosa podía reaccionar con anhídrido acético para formar acetato de celulosa, aunque su disolución inicial requería cloroformo. Posteriormente, en 1904, George Miles halló que el acetato de celulosa hidrolizado era soluble en solventes más económicos como la acetona, y Eduard Schweizer desarrolló un reactivo capaz de disolver la celulosa.

Ese mismo año, Camille y Henri Dreyfus comenzaron a investigar los acetatos de celulosa en Basilea, desarrollando en 1905 un proceso comercial. El material se aplicó primero a películas, sustituyendo al inflamable celuloide, y más tarde a fibras textiles, dando lugar en 1924 al hilo de acetato comercializado en Estados Unidos bajo la marca Celanese.

Durante cinco años, los hermanos Camille Dreyfus y Henri Dreyfus realizaron investigaciones sistemáticas en Suiza y Francia, logrando para 1910 perfeccionar lacas y películas de acetato y establecer una fábrica en Basilea con una producción de unas tres toneladas diarias. Gran parte de esta producción se destinó a la industria del celuloide en Francia y Alemania, especialmente a Pathé Frères, mientras que una fracción creciente se empleó en la industria aeronáutica.

En 1913, tras miles de experimentos, obtuvieron muestras de hilo continuo de acetato, y en 1918 fundaron en Nueva York la American Cellulose & Chemical Manufacturing Company. La Primera Guerra Mundial retrasó la producción comercial hasta 1921, aunque impulsó la expansión de la planta de Basilea para abastecer a los Aliados. En 1927, la empresa adoptó el nombre de Celanese Corporation of America.

En 1914, el Gobierno británico invitó a Camille Dreyfus a Inglaterra para producir acetato, lo que dio lugar a la creación de la British Cellulose and Chemical Manufacturing Co., posteriormente denominada British Celanese en 1918, tras la cancelación de los contratos militares al finalizar la Primera Guerra Mundial. La empresa orientó entonces su actividad a la producción de fibras de acetato.

En 1917, el Ministerio de la Guerra de Estados Unidos solicitó a Dreyfus la instalación de una planta similar en ese país. Aunque la guerra terminó antes de completarse la fábrica de Cumberland (Maryland), el proyecto continuó y sentó las bases de la organización industrial estadounidense. Paralelamente, la filial británica culminó el desarrollo del primer hilo textil de acetato comercialmente exitoso, destinado principalmente a tejidos de ganchillo y otras aplicaciones textiles.

El hilo de acetato llegó a Estados Unidos en 1924, a la planta de Cumberland (Maryland). Aunque inicialmente encontró resistencia por parte de la industria de la seda, se consolidó rápidamente gracias a sus propiedades termoplásticas, que permitían muaré y plisados permanentes, impulsando la moda y la industria del vestido. El acetato también facilitó la mezcla con otras fibras como seda, algodón y posteriormente lana y nailon, posibilitando tejidos de menor costo y buenas prestaciones textiles. En la actualidad, sin embargo, el acetato de celulosa contribuye a la contaminación por microplásticos, ya que libera microfibras sintéticas durante el lavado de prendas y está presente también en residuos como filtros de tabaco y microperlas cosméticas, detectándose ampliamente en ambientes naturales como las playas.

Fibra de acetato y fibra de triacetato

El acetato y el triacetato son erróneamente entendidos como una misma fibra; si bien son similares, sus compuestos químicos difieren. El triacetato es conocido como una descripción genérica o acetato primario que no contienen ningún grupo hidróxilo. La fibra de acetato es conocida como un acetato secundario o modificado al contar con dos o más grupos hidróxilos. Las fibras de triacetato, aunque no son ya producidas en Estados Unidos, contienen una proporción más alta de acetato de celulosa que las fibras de acetato.

Película de acetato de celulosa

La película de acetato de celulosa fue introducida en 1934 como un reemplazo de las películas de nitrato de celulosa que había sido previamente el estándar. Cuando era expuesto al calor, la humedad o ácidos, la base fílmica comenzaba a deteriorarse hasta el punto de tornarse inservible, liberando ácido acético con un característico olor avinagrado y ocasionando el proceso conocido como «síndrome del vinagre»

La película de acetato todavía tiene algunas aplicaciones, como negativos fotográficos para el cine. Desde los años 1980, la película a base de poliéster (algunas veces llamada con el nombre comercial de Kodak, «Base ESTAR») se había convertido en la más usual, en particular, para usos de archivos. La película de acetato también fue usada como la base para las cintas magnéticas, antes del advenimiento de la película de poliéster.

Cinta de ordenador de acetato de celulosa

La cinta magnética de acetato de celulosa fue introducida en 1952 por IBM para ser usada en su unidad de cinta IBM 726 en el ordenador IBM 701. Era mucho más ligera y más fácil de manejar que la cinta metálica introducida por UNIVAC en 1951 para ser empleada en su unidad de cinta magnética UNISERVO en el ordenador UNIVAC I. En 1956, la cinta magnética de acetato de celulosa fue reemplazada por la más estable cinta magnética de película PET para ser usada en la unidad de cinta magnética IBM 727.

Producción

La Comisión Federal de Comercio define la fibra de acetato como «una fibra manufacturada en la que la sustancia formadora de la fibra es acetato de celulosa». Cuando al menos el 92 % de los grupos hidroxilo están acetilados, se puede utilizar el término «triacetato» como descripción genérica de la fibra».

El acetato se deriva de la celulosa mediante la descomposición inicial de la pulpa de madera en forma de celulosa blanca y esponjosa purificada. Para fabricar un buen producto, se utilizan pulpas con cualidades especiales, como las pulpas solubles. La reactividad desigual de la celulosa plantea un problema habitual que afecta a la calidad del producto de acetato de celulosa. Para ello, se hace reaccionar la celulosa con ácido acético y anhídrido acético en presencia de ácido sulfúrico. A continuación, se somete a una hidrólisis parcial controlada para eliminar el sulfato y el número suficiente de grupos acetato para conferir al producto las propiedades deseadas.

La unidad de anhidroglucosa es la estructura repetitiva fundamental de la celulosa y cuenta con tres grupos hidroxilo que pueden reaccionar para formar ésteres de acetato. La forma más común de fibra de acetato de celulosa tiene un grupo acetato en aproximadamente dos de cada tres hidroxilos. Este diacetato de celulosa se conoce como acetato secundario o, simplemente, «acetato».

Una vez formado, el acetato de celulosa se disuelve en acetona, formando una solución viscosa que se puede extruir a través de hiladoras (que se asemejan a un cabezal de ducha). A medida que los filamentos emergen, el disolvente se evapora en aire caliente mediante el proceso de hilado en seco, lo que produce finas fibras de acetato de celulosa.

La primera fibra de acetato comercial de EE. UU. fue producida por Celanese Corporation en 1924. En la actualidad, los productores estadounidenses de fibra de acetato son Celanese y Eastman Chemical Company.

Método

Hasta la fecha, no se ha descubierto ningún proceso para la producción directa de acetatos de celulosa. Dado que los intentos de llevar a cabo una esterificación parcial de la celulosa solo dan como resultado una mezcla de celulosa no acetilada y celulosa totalmente acetilada, se emplea una síntesis en dos pasos: primero, la celulosa se convierte completamente en triacetato de celulosa y, después, mediante hidrólisis, en acetatos de celulosa con bajos grados de esterificación.

Para ello, se mezcla la celulosa purificada, procedente de la pulpa de madera o de las fibras de algodón, con ácido acético glacial, anhídrido acético y un catalizador. La mezcla envejece durante 20 horas, tiempo durante el cual se produce una hidrólisis parcial y la resina ácida se precipita en forma de copos. Estos copos se disuelven en acetona y la solución resultante se purifica mediante filtración. A continuación, la solución se extruye mediante centrifugación en una columna de aire caliente. Se recupera el disolvente. A continuación, los filamentos se estiran y se enrollan en vigas, conos o bobinas, listos para su uso. Finalmente, los filamentos se hilan para formar fibra.

La producción se divide en las siguientes etapas del proceso:

• Acondicionamiento mecánico de la pulpa: la pulpa, que suele suministrarse en forma de rollos o láminas, se fibrila mediante diferentes tipos de trituradoras, como molinos de martillos y refinadores de disco. La disposición sucesiva de ambos tipos de trituradoras garantiza una disolución óptima.

• Pretratamiento químico: la celulosa fibrilada se trata con ácido acético (y, si es necesario, con pequeñas cantidades de ácido sulfúrico) con agitación moderada a una temperatura de entre 25 °C y 50 °C durante aproximadamente una hora, lo que provoca la evaporación y la condensación continuas del ácido acético en los espacios existentes entre las partículas de fibra. Así, las partículas de celulosa se hinchan y se facilita la difusión de las partículas del disolvente en estas partículas durante la siguiente fase del proceso. Además de este pretratamiento con vapor de ácido acético, también se realiza un pretratamiento en estado de pulpa fina. En este proceso, la celulosa se introduce en grandes cantidades de agua o ácido acético diluido y se agita intensamente. Las etapas posteriores del proceso, como el prensado o la centrifugación, aumentan constantemente la concentración de celulosa en la pulpa. Al mismo tiempo, se añade ácido acético en concentraciones cada vez mayores. La ventaja de este proceso es que se evita el triturado, ya que las capas de celulosa se pueden añadir directamente al tanque agitador.

• Acetilación de la celulosa: en la producción comercial de acetatos de celulosa, para la acetilación se suele utilizar el proceso del ácido acético o el del cloruro de metileno. En los procesos con ácido acético, la masa de celulosa pretratada reacciona con una mezcla de acetilación de disolvente de ácido acético, anhídrido acético en exceso y ácido sulfúrico como catalizador, con una fuerte agitación mecánica. La reacción es altamente exotérmica, por lo que es necesario enfriar intensamente los recipientes de reacción. El proceso de esterificación termina al añadir agua, cuando se ha formado una mezcla de reacción transparente y muy viscosa a partir de la pulpa fibrosa. Esta solución debe estar libre de gel y tener la viscosidad deseada. En el proceso con cloruro de metileno, este compuesto se utiliza como disolvente en la mezcla de acetilación en lugar de ácido acético. Al tener un punto de ebullición bajo, el cloruro de metileno puede eliminarse fácilmente por destilación, lo que permite controlar el proceso incluso con soluciones muy viscosas. Incluso a bajas temperaturas, disuelve muy bien el triacetato de celulosa. Se puede utilizar una pequeña cantidad de ácido sulfúrico como catalizador, aunque a menudo se emplea ácido perclórico. Sin embargo, durante la reacción también se forma ácido acético como subproducto, por lo que el disolvente es, en última instancia, una mezcla de cloruro de metileno, anhídrido acético y ácido acético. Un proceso heterogéneo poco frecuente es el proceso de acetato de fibra, que solo se utiliza para producir triacetato de celulosa. En este proceso, la celulosa se suspende en un disolvente no polar (como el benceno) y se esterifica con anhídrido acético en presencia de ácido perclórico como catalizador.
• Hidrólisis parcial: los tipos deseados de acetato de celulosa secundario se obtienen a partir del triacetato de celulosa mediante hidrólisis. Para ello, se calienta la solución de triacetato a una temperatura de entre 60 y 80 °C en presencia de un catalizador ácido (normalmente ácido sulfúrico), añadiendo agua y agitando constantemente. La hidrólisis se controla variando la concentración de ácido sulfúrico, la cantidad de agua y la temperatura para lograr la degradación molecular deseada (escisión de la cadena). A continuación, se detiene el proceso de hidrólisis añadiendo sales básicas (por ejemplo, acetato de sodio o magnesio), que neutralizan el catalizador ácido.

• Precipitación del acetato de celulosa: al precipitar el acetato de celulosa de la solución de reacción con ácido acético diluido, es importante obtener copos de acetato de celulosa uniformes y que se puedan lavar fácilmente. Antes de la precipitación, es necesario destilar completamente cualquier cloruro de metileno presente. A continuación, se recupera el ácido acético.

• Lavado y secado: mediante un lavado intensivo, que suele realizarse en contracorriente, se debe eliminar todo rastro de ácido acético de las escamas, ya que, de lo contrario, se producirán daños («carbonización») durante el proceso de secado. Tras exprimir el líquido de lavado, las escamas se secan en un secador de cinta transportadora por el que circula aire caliente hasta alcanzar un contenido de humedad residual de aproximadamente el 2-5 %. Con el fin de obtener compuestos de moldeo termoplásticos de muy alta calidad, térmicamente estables y de colores vivos y estables, las escamas de acetato de celulosa también se blanquean y estabilizan en pasos adicionales del proceso (para minimizar la degradación térmica y la decoloración) antes del secado final.
• Mezcla de las escamas: Los pasos finales son similares al procesamiento de otros plásticos: antes de transportar las escamas de acetato de celulosa a un contenedor de recogida para llevarlas a las plantas de procesamiento adecuadas, se mezclan de forma precisa y controlada. Esto se hace para compensar las desviaciones de los acetatos de celulosa de los diferentes lotes de producción. Para muchos pasos de procesamiento posteriores, las escamas suelen molerse previamente hasta convertirlas en polvo fino. Para poder utilizar el acetato de celulosa en métodos de procesamiento de plásticos, como el moldeo por inyección, el polvo debe mezclarse también con plastificantes y otros aditivos adecuados, como aditivos funcionales para la estabilización térmica, climática, UV e infrarroja. Las mezclas pueden adaptarse a los requisitos de procesamiento posteriores correspondientes. A partir del compuesto producido por fusión, se obtienen gránulos que se pueden entregar a los procesadores de plásticos.

Eliminación y degradación

En 2008, la producción mundial de materiales de AC superó las 800 000 toneladas (790 000 toneladas largas; 880 000 toneladas cortas). Aunque inicialmente se pensaba que la celulosa acetilada (AC) era prácticamente no biodegradable, se ha demostrado que, tras una desacetilación parcial inicial, la cadena principal de celulosa del polímero se biodegrada fácilmente mediante enzimas celulasas. En suelos con alta actividad biológica, las fibras de AC se destruyen por completo en un periodo de entre 4 y 9 meses. La fotodegradación es óptima con radiación UV de 280 nm o menos, y se ve reforzada por el pigmento TiO₂. Los filtros de cigarrillos de AC tardan años en descomponerse al aire libre.

Otros ésteres de celulosa

El acetato butirato de celulosa (CAB, por sus siglas en inglés, Tenite II) y el acetato propionato de celulosa son derivados de la celulosa que se utilizan en tintas y recubrimientos. La principal diferencia con respecto al acetato de celulosa es su solubilidad en una gama más amplia de disolventes. El CAB se utiliza ampliamente para fabricar mangos de herramientas, debido a su dureza y resistencia al aceite y la gasolina.

Véase también

• Diacetato de celulosa

Enlaces externos

• Datos: Q124686
• Multimedia: Cellulose acetate / Q124686