Mercados especializados: fibras bicomponentes

Desde entonces, las fibras aglutinantes de vaina/núcleo se han vuelto ampliamente aceptadas y han sentado las bases para la introducción de fibras cortadas bicomponente, estopas e hilos de filamento con una amplia gama de características de rendimiento mejoradas que ofrecen las tecnologías bicomponente más avanzadas. Un importante paso adelante en la comercialización de algunas de las posibilidades más avanzadas fue la invención por parte de Hills Inc., con sede en Melbourne, Florida, de un proceso para producir piezas de paquetes giratorios mediante grabado fotoquímico. Este avance aumentó la finura y la precisión del control sobre las rutas de flujo de polímeros y, al mismo tiempo, redujo el costo de las piezas. Posteriormente, Fiber Innovation Technology, Inc. (FIT) se estableció en 1996 en Johnson City, Tenn., como un productor de fibras especiales no controlado por ningún productor de polímeros que se concentre en productos básicos de un solo polímero. Con acceso a todos los materiales termoplásticos disponibles y utilizando la tecnología Hills, FIT ha sido pionera en una gran cantidad de diferentes tipos de fibra bicomponente en una amplia variedad de aplicaciones en un tiempo relativamente corto. Como resultado, los consumidores de fibra ahora tienen acceso al suministro comercial de una variedad casi infinita de fibras de dos componentes, con una variedad exponencialmente mayor de características de rendimiento que cuando se introdujeron por primera vez las fibras de dos componentes más simples.

Propiedades de fibra altamente adaptadas Hoy en día, la elección de los polímeros utilizados en una fibra bicomponente no se limita a un puñado de polímeros básicos como el tereftalato de polietileno (PET), el nailon y el polipropileno (PP). En su lugar, toda la gama de poliésteres, incluidos el tereftalato de policiclohexanodimetanol, el tereftalato de politrimetileno, el tereftalato de polibutileno, el glicol PET y una gran variedad de copoliésteres, se está ampliando con poliésteres alifáticos como el ácido poliláctico y los polihidroxialcanoatos, que introducen el nuevo beneficio ambiental de ser derivados de Recursos renovables. Ahora está disponible una extensión de gama similar con poliamidas y poliolefinas, incluido el nailon 6, 6, 6, 11 y 12; copoliamidas; polietileno de alta densidad (PE); PE lineal de baja densidad; PP sindiotáctico; y polimetilpenteno. Pero quizás la nueva posibilidad más intrigante es la incorporación de polímeros de ingeniería, cuyas propiedades suelen ser excepcionales pero cuyo costo tradicionalmente ha impedido cualquier investigación de uso en aplicaciones de fibras comerciales. La lista de estos polímeros es larga e incluye sulfuro de polifenileno, acetal, ionómeros, alcohol polivinílico, polieterimida y poliuretanos termoplásticos, por nombrar solo algunos.

A las opciones de polímeros recientemente ampliadas se agrega una variedad mucho mayor de secciones transversales de dos componentes que son posibles gracias a la tecnología de Hills y algunas innovaciones de FIT en las partes del paquete. Ahora es posible colocar los polímeros prácticamente donde se desee en la sección transversal de la fibra (consulte la Figura 2).

Y ya no es necesario limitar la elección a las fibras redondas. Las fibras de sección transversal moldeada también se pueden coextruir usando dos polímeros (consulte la Figura 3).

Figura 3: Las fibras de dos componentes también se pueden extruir en una variedad de secciones transversales, incluidas las que se muestran arriba.

Finalmente, toda la gama de aditivos de polímeros que se pueden usar en fibras de un solo polímero también se pueden usar en uno o ambos polímeros en una fibra de dos componentes para lograr las características de rendimiento deseadas. Estos aditivos incluyen cosas como colorantes, retardantes de llama, antimicrobianos, materiales conductores y nanotubos de carbono, entre otros aditivos.

Con esta gran matriz de propiedades de materiales y formas de combinarlas en cada fibra, será evidente que las fibras bicomponentes ya no son un pony de un solo truco. Mientras que en el pasado, el diseño de telas significaba tratar de optimizar los atributos fijos de una fibra básica en cada aplicación diferente, las fibras bicomponente ahora ofrecen una forma de diseñar un rendimiento ajustado con precisión en la fibra. Cada aplicación ahora puede buscar una fibra que se adapte con precisión a las necesidades específicas de esa aplicación.

Usos ejemplares de fibras bicomponenteHay demasiados usos finales diferentes para las fibras bicomponentes como para cubrirlos en un breve artículo, pero a continuación se analizan algunos ejemplos ilustrativos.

Incluso la fibra básica aglutinante de cubierta/núcleo se ha actualizado desde los primeros días. Hoy en día, hay acceso a una gama de copolímeros de poliésteres, poliamidas y poliolefinas que permiten un objetivo preciso del comportamiento de unión térmica deseado. La temperatura de unión puede ajustarse desde un mínimo de aproximadamente 110 °C hasta un máximo de aproximadamente 180 °C. Incluso es posible seleccionar polímeros adhesivos fuera de este rango, pero estas opciones pueden imponer importantes advertencias. Más allá de la temperatura de unión, el carácter adhesivo del polímero adhesivo puede ajustarse para adherirse mejor a superficies polares o no polares. Y la naturaleza cristalina del polímero se puede ajustar para dar un rango de temperatura de fusión más amplio o más estrecho. Las fibras aglutinantes para telas no tejidas de alto espesor utilizadas como cojines de asiento en lugar de espuma de poliuretano utilizan un polímero de cubierta con recuperación elástica, de modo que la tensión repetida de los puntos de unión no rompa la unión.

La sección transversal funda/núcleo fundamental también es útil en muchas aplicaciones que exigen polímeros de ingeniería. Típicamente, tal aplicación depende completamente de las propiedades de la superficie del polímero más exótico y más caro. En estos casos, el núcleo de la fibra se puede fabricar con un polímero adecuado de menor costo para brindar todos los beneficios del polímero más costoso a un costo de materiales muy inferior al de una fibra hecha solo con el polímero superficial.

Las fibras bicomponentes una al lado de la otra normalmente se basan en la diferencia de contracción entre los dos polímeros. En cualquier punto del proceso de formación de la tela, si las fibras no están físicamente restringidas, la aplicación de calor puede inducir el encogimiento. Dado que los dos polímeros se encogen a diferentes velocidades, la fibra resuelve la tensión resultante al enrollarse en una hélice. Este comportamiento permite aplanar una tela y luego abultarla cuando y donde se adapte a la aplicación.

Las secciones transversales de la cuña de pastel se usan típicamente para fabricar microfibras. El hilado directo de microfibras es difícil, y prácticamente imposible por debajo de 0,3 a 0,5 denier por filamento (dpf), y costoso, ya que los rendimientos son bajos. Pero una fibra circular de 2 a 3 dpf no sufre limitaciones de rendimiento y es robusta a través de los procesos de producción de fibras y telas. Una vez que se forma una tela no tejida a partir de estas fibras, se puede someter a agitación mecánica (generalmente, un proceso de hidroenmarañado) que dividirá los segmentos en microfibras, generalmente alrededor de 16 segmentos por fibra bicomponente. El resultado es un tejido de microfibra a un costo significativamente reducido en comparación con uno fabricado con microfibras de hilado directo. Las versiones hueca y de envoltura parcial de esta sección transversal son refinamientos que permiten el ajuste de la capacidad de división relativa de la fibra.

La sección transversal mar/islas también genera microfibras. En este caso, el polímero marino se puede eliminar fácilmente disolviéndolo en un solvente adecuado, por lo general, un baño cáustico caliente y liviano o agua tibia. Una tela hecha de fibras de mar/islas se pasa a través del solvente y el resultado es una tela de microfibra. Este enfoque incurre en una penalización de costos porque parte de la fibra se tira por el desagüe. Pero las microfibras más pequeñas de la tecnología de mar/islas son mucho más pequeñas que las que se pueden lograr con la tecnología de división mecánica.

La sección transversal taggant es una que FIT desarrolló inicialmente solo para mostrar sus capacidades. Pero desde entonces, la empresa ha descubierto que la inclusión de un logotipo o alguna otra forma compleja en la sección transversal de la fibra puede ser valiosa en las fibras de etiquetado para aplicaciones en las que se desea protección de responsabilidad. El logotipo puede incluso ser un código de barras bidimensional que puede ser leído por un sistema de visión artificial, incorporando así sigilosamente grandes cantidades de información en un producto. El producto etiquetado no necesita ser un producto fibroso, pero puede incluir productos electrónicos, farmacéuticos, piedras preciosas, explosivos o prácticamente cualquier cosa que se use en una aplicación en la que la identificación forense podría ser valiosa.

Direcciones futuras Por supuesto, este no es el final de la historia. La innovación continuará y se basará en los avances que han llevado la tecnología a esta etapa. Ya se están desarrollando sistemas de hilado de tres componentes para coextruir tres polímeros diferentes en cada fibra en lugar de solo dos. Y algunas de las secciones transversales de dos componentes más simples están apareciendo en las telas no tejidas, en las que los filamentos se extruyen directamente en una tela no tejida sin formar fibras como producto intermedio. La precisión del control de polímeros para formar la sección transversal también continúa avanzando. Cuando se formó FIT por primera vez, el estado del arte era 37 islas en una fibra mar/islas, que podía producir microfibras tan finas como 0,02 dpf. En los últimos años, Hills ha producido paquetes de hilado capaces de rellenar cientos de islas en cada sección transversal de fibra, lo que permite la producción de microfibras submicrónicas. Incluso hay una sección transversal mar/islas con cerca de 10.000 islas. Y antes de que la tecnología de electrohilado salga de la cuna, los investigadores están comenzando a experimentar con filamentos electrohilados de dos componentes, utilizando soluciones de polímeros en lugar de polímeros fundidos.

Será necesario esperar a que algunos de estos avances estén ampliamente disponibles, pero con el estado actual de la tecnología bicomponente disponible para la producción comercial, es posible que ya no sea necesario esperar por una fibra cortada o un hilo de filamento que ofrezca el rendimiento exacto. requiere una aplicación particular.

Nota del editor: Jeffrey S. Dugan es vicepresidente de investigación de Fiber Innovation Technology Inc.

julio/agosto 2010