El futuro de las fibras

El desarrollo pasado de las fibras puede sugerir el futuro de las fibras.

Por Jeff Dugan

Para citar vagamente a Marco Aurelio, "Mirando hacia el pasado, uno puede prever el futuro". Esta misma idea se aplica a la investigación y el desarrollo de fibras. Para conocer hacia dónde podrían ir los desarrollos de fibra en el futuro, el mejor indicador es el pasado. No existe una bola de cristal ni una forma de predecir verdaderamente el futuro, solo un "medidor de conjeturas". Pero el pasado sugiere una posible dirección futura. Algunos desarrollos son más a corto plazo y menos un acto de fe, mientras que otros son proyectos a más largo plazo que pueden o no llegar a buen término.

La distancia entre una gran idea y la comercialización es muy larga y, lamentablemente, hay muchas oportunidades de que las cosas salgan mal. A veces, las mejores ideas simplemente no funcionan.

Si comparamos la industria de la fibra de hoy con la de hace 20 o 30 años, no ha cambiado mucho. Hoy en día, el poliéster sigue siendo el rey y las mezclas de poli/algodón todavía se tejen y se tejen en telas. Hace unos 20 o 30 años, tal vez la gente pensaba que todo el mundo usaría telas no tejidas en unas pocas décadas y eso aún no ha sucedido, aunque eventualmente podría suceder. Obviamente, la investigación y el desarrollo están en curso y las cosas que están en desarrollo hoy cambiarán la cara de la industria en las próximas décadas. Pero es importante recordar que el cambio es lento y probablemente en los próximos 20 a 30 años las cosas que son importantes ahora seguirán siendo importantes en la industria de la fibra.

Además, los grandes desarrollos que han tenido lugar han estado en su mayoría en los márgenes. Si la historia es una línea recta, y por supuesto nunca lo es, pero si el futuro es como el pasado, entonces los márgenes son donde permanecerán la mayoría de los nuevos desarrollos.

Si ese es el caso, ¿por qué centrarse en esas innovaciones? La respuesta es porque ahí es donde está el dinero. Incluso si una empresa está trabajando en un desarrollo que permanecerá en los márgenes, es donde los productores pueden ganar dinero en lugar de competir únicamente en precio y volumen. Es una de las razones por las que las empresas buscan innovaciones y nuevos desarrollos.

También existe siempre el sueño de que la investigación no solo puede crear algo que sea rentable, sino que tal vez resulte en un "nuevo poliéster" que cambie fundamentalmente la industria. El poliéster ha sido el rey durante décadas, pero no existía hace 100 años y el cambio se producirá con el tiempo.

Las fibras bicomponentes no son nuevas, pero uno de los usos aún sin explotar es en las aplicaciones de fibras aglutinantes. Hay una nueva tecnología en línea que permitirá un mayor rendimiento de las fibras aglutinantes. La gente está bastante familiarizada con las fibras aglutinantes estándar. Con los nuevos desarrollos de polímeros, hay nuevas temperaturas de fusión disponibles para adaptar la fibra a la aplicación. La capacidad de elegir entre un aglutinante amorfo o cristalino también puede adaptar mejor un producto para hacer el trabajo que se necesita.

Además, una posibilidad más nueva es un aglutinante que unirá la tela inicialmente y luego, en cualquier momento que sea necesario para la aplicación, las uniones pueden liberarse. Esas son posibilidades potenciales a corto plazo en las innovaciones de fibras aglutinantes.

Las tecnologías Taggant son otra tecnología bicomponente actualmente disponible que está infrautilizada y hay mucho valor en este tipo de tecnologías de fibra. Se puede crear un identificador como un código de barras 2D, o se pueden usar materiales que iluminen la fibra cuando se ve usando diferentes longitudes de onda de luz.

Un código de barras 2D proporciona mucha información donde se requiere un enfoque forense para determinar la sección transversal y extraer la información en el código de barras. En comparación, una etiqueta que se revela usando una cierta longitud de onda de luz es más una tecnología binaria simplista que solo identifica la fibra si está presente. No hay mucha información en este tipo de etiqueta, pero puede ser útil en ciertas aplicaciones, como un escaneo de punto de venta.

Es posible que en el futuro se requiera algún tipo de tecnología de etiquetado para tener responsabilidad en sentido descendente. Tales aplicaciones ofrecen una manera de extender la tecnología bicomponente más allá de donde está hoy.

El uso de un aditivo de ADN es un enfoque más nuevo para estas tecnologías de etiquetado. Ahora se puede insertar ADN en una fibra que contiene mucha información similar al código de barras 2D. Una ventaja de usar ADN es que extraer la información es más sencillo y no se necesitan métodos forenses. Esta tecnología no es más barata, sino una forma más sencilla de integrar mucha información en una fibra.

Más allá de los taggants, las fibras divisibles también ofrecen algunas posibilidades de expansión para las fibras bicomponente en el mercado. Cuando se producen hilados, las microfibras plantean un problema en la carda. Sin embargo, con el control de la sección transversal de una fibra bicomponente, también se puede controlar la capacidad de división de la fibra, lo que ofrece una forma de incorporar microfibras en hilos hilados. La propiedad de capacidad de división es importante porque los procesos de cardado son todos diferentes, y el diseño y la aplicación pueden requerir una combinación diferente de microfibras y no microfibras que se pueden dividir. Con todas las diferentes secciones transversales que se pueden producir en combinación con los diferentes tipos de polímeros disponibles, es posible fabricar una gama realmente amplia de fibra divisible.

Las fibras bicomponentes divisibles y cardables incluyen (consulte la figura 1):

Con una variedad de capacidades de división, es posible adaptar una fibra a un proceso y cardar una mezcla en la que las fibras de dos componentes se dividen durante el cardado. La advertencia es que tiene que haber algunas fibras no divisibles y no microfibras en la mezcla de fibra para llevar toda la fibra a través del proceso. Pero esta técnica permite que las microfibras se mezclen en hilos hilados. Esta expansión de las aplicaciones de fibra bicomponente puede requerir algún trabajo posterior adicional, pero es una fruta al alcance de la mano que está disponible y madura para el desarrollo a corto plazo.

Otro desarrollo a corto plazo en el "medidor de adivinanzas" del futuro de la fibra son las fibras con ventajas ambientales. El término fibra "verde" puede significar muchas cosas diferentes, y hay mucho más en las fibras "verdes" que solo la sostenibilidad o la mitigación del dióxido de carbono, incluidas las preocupaciones por los microplásticos, la toxicidad y los problemas con los vertederos. Las diferentes tecnologías de fibra abordan diferentes preocupaciones ambientales y el término ventajas ambientales es un término adecuado para cubrir muchos escenarios.

Una de las primeras cosas que ya está en marcha es la expansión del papel de las fibras naturales. Está claro desde el punto de vista del consumidor que estas fibras son más ecológicas que un plástico. Sin embargo, a pesar de la demanda, las fibras naturales no son el 100 por ciento de lo que se usa en los textiles porque no brindan las propiedades que brinda el poliéster en particular.

Para que el uso de fibras naturales se expanda mucho más de lo que ya se ha hecho, es posible que sea necesario realizar algún trabajo para modificar químicamente las fibras para expandir su envoltura de propiedades. Además, en algún momento en el futuro, habrá un debate sobre si usar nuestra tierra para producir algo que no sea comida. Los productores de fibras de ácido poliláctico (PLA) ya han visto un retroceso en el polímero porque están usando maíz y, por lo tanto, están consumiendo parte del suministro de alimentos. Entonces, la expansión de las fibras naturales puede depender de la pregunta "¿fibras o alimentos?" En última instancia, la batalla, si es que es una batalla, entre las fibras naturales y las sintéticas estará potencialmente limitada por la evolución de los plásticos. Se está trabajando mucho en la industria del plástico para abordar algunos de los problemas ambientales que presentan los plásticos, y las soluciones se están volviendo convincentes. No muchas de las soluciones son rentables todavía, pero al menos tecnológicamente hay muchas respuestas a los problemas ambientales. La velocidad de desarrollo y el costo final de las nuevas soluciones pueden muy bien limitar el ímpetu para enfocarse más en las fibras naturales.

Una tecnología más nueva desarrollada en la industria de los plásticos que ofrece una gran rentabilidad son los aditivos potenciadores de la degradación (DEA, por sus siglas en inglés). CiCLO® es una de esas tecnologías que ofrece Intrinsic Advanced Materials, una empresa conjunta entre Intrinsic Textiles Group y Parkdale Advanced Materials. Hay otras tecnologías en el mercado, y funcionan básicamente de la misma manera. Cuando se agregan DEA a casi cualquier plástico, el material se degradará en un entorno rico en microbios en dos o tres años y no en 200 o 300 años.

Una de las cosas atractivas de estas tecnologías es el costo relativamente bajo en comparación con los biopolímeros, que a menudo se buscan para resolver problemas ambientales. Los biopolímeros ofrecen muchas ventajas técnicas, pero ninguna de ellas es barata. Los DEA tienen un costo relativamente bajo y se pueden incluir en un producto de inmediato. Otra gran ventaja es que los biopolímeros requieren un sacrificio significativo de propiedades en la aplicación o el procesamiento, o ambos. Los DEA permiten un beneficio ambiental a bajo costo, rápidamente sin sacrificar esencialmente las propiedades. Además, algunos biopolímeros requieren compostaje para degradarse, y los DEA permiten que una fibra se degrade en cualquier entorno rico en microbios sin necesidad de compostaje.

Un inconveniente es que la degradación puede no ocurrir tan rápido como en algunos de los otros polímeros como el PLA. Pero hay una propuesta convincente para el uso de DEA cuando se compara un producto que se degrada rápidamente pero es costoso y cuesta mucho en términos de propiedades versus una fibra con DEA que no se degrada de inmediato, pero se degrada en un par de años versus siglos y la tecnología existe hoy. Es probable que los DEA se conviertan en una tecnología importante en un período de tiempo relativamente corto.

El furanoato de polietileno (PEF) es un nuevo biopolímero desarrollado principalmente por Avantium en los Países Bajos, entre otras empresas. PEF es una excepción en el mundo de los biopolímeros porque elegir ingredientes de base biológica no significa sacrificar las propiedades de la fibra como ocurre con otros biopolímeros.

El tereftalato de polietileno (PET) totalmente de base biológica aún no es una realidad porque el etileno de base biológica es una materia prima disponible, pero la parte del tereftalato es realmente complicada. En PEF, el monómero de furanoato (ácido 2,5-furandicaboxílico) se combina con etilenglicol de base biológica para hacer un polímero que es muy similar al PET, pero el monómero de furanoato también es de base biológica, por lo que el polímero de PEF resultante es 100 por ciento de base biológica. La fibra tiene cierta degradabilidad natural, pero no es espontáneamente biodegradable, lo cual es útil porque muchas aplicaciones requieren durabilidad. El PEF se encuentra entre los dos extremos: no se degrada de inmediato, pero se puede degradar si es necesario. Las propiedades de la fibra son comparables a las del poliéster, pero la fibra es biodegradable a mediano plazo y puede reciclarse en los flujos de reciclaje típicos de PET, lo cual es una ventaja significativa. Otra ventaja es que el PEF se puede producir en una planta de PET existente. La cinética de reacción es diferente, pero fundamentalmente, los fabricantes solo necesitan cambiar el monómero de tereftalato por el monómero de furanoato. Además, PEF en particular sería un buen polímero para usar en combinación con DEA.

Una desventaja del PEF es su costo. Esto se debe en parte al hecho de que se encuentra en una etapa temprana de desarrollo, por lo que el precio bajará. Avantium ha compartido proyecciones sobre el costo y predice que, con la escala, el precio será comparable al PLA, tal vez un poco más alto. Pero esa es una prima significativa, que francamente ha obstaculizado la adopción de PLA en los mercados masivos.

En cuanto a los precios, hay otras razones para creer que el costo llegará a un nivel aceptable. Se están realizando algunas investigaciones para desarrollar un proceso de polimerización que pueda reducir el costo de hacer PEF a alrededor del 20 por ciento de lo que es ahora. Además, la barrera de oxígeno del PEF es fantástica. Esta propiedad no significa nada en las fibras, pero es muy importante en el mercado de las botellas de plástico. Coca-Cola, entre otras empresas, está invirtiendo mucho dinero para desarrollar botellas de bioplástico, lo que impulsará el desarrollo de PEF.

La otra opción es hacer un PET 100 por ciento biodegradable, lo que se puede hacer, pero es costoso y, a pesar de las grandes inversiones, esa tuerca aún no se ha roto. Y teniendo en cuenta las diferencias de propiedades, el PEF tiene la posibilidad de ser el ganador frente al poliéster biodegradable. Si es así, los volúmenes serán enormes y el costo se reducirá. PEF es una fibra para observar. La investigación aún no ha terminado, pero la primera planta a escala piloto está en proceso.

Los polihidroxialcanoatos (PHA) son otra clase de biopolímeros que vale la pena observar. Todavía no están listos para el horario de máxima audiencia como fibra textil, pero la tecnología se está acercando a la comercialización. Los PHA tienen muchas ventajas sobre algunos otros materiales. Son 100 por ciento de base biológica y son espontáneamente biodegradables. Como se mencionó anteriormente, es una ventaja que PEF tenga cierta durabilidad; eso es algo que se deseará en muchas aplicaciones. Pero hay otras aplicaciones donde la degradabilidad espontánea es importante. En cualquier lugar donde haya microbios, los PHA se degradarán. Eso no significa que se degradará colgado en el armario. Pero cuando se deja en el suelo, la degradación es rápida; y el polímero también es degradable en el mar, lo que lo convierte en una solución prometedora para los problemas de plásticos y microplásticos marinos. Es probable que los PHA estén disponibles a un costo relativamente bajo a escala, posiblemente incluso más baratos que el polipropileno, lo cual es una gran ventaja sobre otros biopolímeros. Los PHA también se pueden fabricar a partir de casi cualquier biomaterial o dióxido de carbono para que los azúcares del maíz u otras fuentes de alimentos no se vean afectados. Las fábricas pueden incluso usar el dióxido de carbono capturado por un depurador en una chimenea como materia prima para un PHA. ¿Qué tan verde es eso? Los PHA aún no están allí en términos de procesabilidad, pero esta es una base química que tiene una amplia adaptabilidad. Hay muchas maneras de adaptar las propiedades del polímero, y esto, además de las convincentes ventajas ambientales, impulsará el desarrollo hacia una solución.

El reciclaje químico también es potencialmente un gran problema en la categoría de fibras con ventajas ambientales. Hace años, BASF estudió la despolimerización del nailon. En ese entonces, no era un problema ambiental, era más una investigación basada en costos, pero la compañía determinó que su costo era prohibitivo. Es interesante ver una actividad renovada en esta área hoy. Actualmente se están construyendo plantas de reciclaje de poliéster y polipropileno en muchos lugares del mundo, y es difícil imaginar que se invierta ese tipo de capital a menos que sea un esfuerzo rentable.

El reciclaje químico también elimina el downcycling, por lo que posiblemente un poliéster se pueda reciclar eternamente.

Existe un debate sobre el reciclaje versus el uso de biopolímeros porque el reciclaje parece muy simple, es solo un proceso mecánico, y los biopolímeros parecen más exóticos y ventajosos. Pero en términos de brindar una ventaja ambiental, el reciclaje, en el contexto adecuado, puede ser más poderoso que un polímero que se degrada fácilmente. En el futuro, habrá mucho más enfoque en los esfuerzos de reciclaje de productos químicos.

Hay cosas que se pueden hacer con fibras y textiles que aún no se han desarrollado adecuadamente, incluidas las aplicaciones eléctricas. La ropa eléctricamente funcional (la adición de cables a los textiles) ha estado en desarrollo durante algún tiempo, pero aún no ha arrasado en la industria. Pero la innovación continúa y es probable que los desafíos se resuelvan.

Más aún, los sustratos activados eléctricamente son muy prometedores y podrían ser muy útiles. Piense en un estímulo eléctrico que active el movimiento en un sustrato, por ejemplo. Otros tipos de activación incluyen textiles fotovoltaicos que pueden ser útiles en prendas, persianas o sustratos para techos. Dichas tecnologías también podrían usarse para crear pantallas de visualización plegables o enrollables que eliminarían la necesidad de un proyector separado. Este tipo de tecnología no es algo que se pueda producir mañana; se necesitaría mucho trabajo e investigación para saber cómo funcionaría exactamente, pero hay materiales disponibles que son apropiados para el trabajo, y hay suficiente valor allí que la investigación vale la pena

Los textiles también pueden ser conductores. Hay un polímero conductor natural, una polianilina, que tiene una conductividad limitada. Pero el hecho de que exista sugiere que se podría realizar un trabajo de desarrollo para crear una fibra más conductora que sea más valiosa que la polianilina actualmente disponible.

Las fibras conductoras también se pueden crear usando aditivos conductores como nanotubos de carbono o usando tecnologías de deposición de vapor.

Los nanotubos de carbono se pueden usar para producir un hilo que sea más conductor, pero lo más interesante es que los nanotubos de carbono de pared simple no solo son conductores, son superconductores. Si estos nanotubos de carbono microscópicos pudieran incrustarse en una matriz de poliéster, por ejemplo, y fuera posible hacer algo con una longitud práctica, estos nuevos materiales podrían ofrecer mucho valor como superconductores.

Es posible depositar metal sobre polímeros, por ejemplo, la deposición de plata sobre nailon, pero esas fibras se vuelven muy costosas debido a la cantidad de plata involucrada. Sin embargo, la plata no se puede depositar sobre poliéster usando el mismo proceso que se usa para depositar plata sobre nailon. Por lo tanto, imagine una fibra bicomponente con solo una astilla de nailon que se extiende por todas partes. La plata podría depositarse solo en el nailon para crear una fibra que ofrezca el 100 por ciento de la conductividad por una fracción del costo.

Además, para las aplicaciones eléctricas, el fluoruro de polivinilideno es extruible por fusión, por lo que se puede convertir en fibras. Y cuando se estira y estira durante la producción en un campo eléctrico correctamente orientado, el resultado es una fibra piezoeléctrica. Debe haber valor en una fibra piezoeléctrica para su uso en sensores, actuadores o músculos sintéticos como solo algunos ejemplos. Esta es una valiosa oportunidad sin explotar en el campo de la fibra que espera que alguien encuentre una solución.

Moviéndose a otro territorio con respecto a las fibras de futuro de fantasía, están las fibras de proteínas hiladas con solventes. El horizonte en esta categoría es casi ilimitado. El objetivo es usar proteínas y girarlas con solvente, idealmente usando agua como solvente para garantizar un proceso seguro para el medio ambiente, para hacer algo similar a una seda de araña sintética que tenga todas las propiedades que pueda desear en una fibra: liviana, fuerte y con estiramiento.

Hay mucha investigación en esta área y las cosas se acercan cada día más a la comercialización. Una vez que se encuentra una solución para producir una fibra de proteína utilizable comercialmente, la seda de araña es solo el comienzo porque hay un panorama completamente nuevo de productos químicos con los que trabajar que ofrece una enorme gama de nuevas propiedades. No solo propiedades mejoradas, sino propiedades diferentes. El campo está maduro para recoger si se puede dominar la tecnología fundamental. Se necesita un momento de Wallace Carothers en las fibras proteicas, y una vez que eso suceda, se abrirá un mundo completamente nuevo que podría cambiar por completo el panorama de las fibras de una manera que no se ha visto en los últimos 20 a 30 años.

Casi maximizando el futuro "medidor de adivinanzas" están las fibras 3D. La innovación primero dominó una dimensión, la longitud de una fibra, y esa era la única variable. Luego, la investigación hizo posible controlar la variación en la segunda dimensión para producir fibras bicomponentes y secciones transversales no circulares. Pero examinar la tercera dimensión de las fibras puede aportar mucho valor. Por ejemplo, tal vez sea posible cambiar la forma de una fibra o su composición a lo largo, de modo que haya una sección transversal aquí y una sección transversal diferente más adelante; o tiene un material aquí y luego otro material o una combinación diferente de materiales a lo largo de la longitud. Quizás en 20 o 30 años la industria esté más cerca de producir este tipo de fibras.

Una posible aplicación es en plumón de ganso sintético. El plumón de ganso, que tiene pequeñas bárbulas a lo largo (consulte la Figura 2), es uno de los productos de fibra más caros que existen. Cuando se comprime una guata de plumón de ganso, las bárbulas se enganchan en las fibras perpendiculares y las fibras se doblan en lugar de empujarlas. Cuando se libera la presión, el plumón se expande hacia atrás y se mantienen las propiedades aislantes. Un plumón de ganso sintético sería un producto valioso, pero primero tiene que existir la tecnología para cambiar la forma de la fibra a lo largo.

Esta es solo una vista de dónde puede estar el futuro de las fibras si el "medidor de adivinanzas" es correcto. Puede funcionar de esa manera, o puede que no, pero el desarrollo pasado sugiere una dirección futura.

Nota del editor: Jeff Dugan es cofundador de Fiber Innovation Technology y se desempeñó como vicepresidente de investigación hasta su reciente jubilación. Todavía ayuda a las personas con nuevos proyectos de fibra como consultor ocasionalmente. Durante su carrera de 39 años, Dugan fue autor de numerosos artículos y se menciona en casi 50 patentes. También presentó la primera y única charla TED sobre el tema de las fibras. Este artículo se basa en el contenido de la presentación de Dugan, "Future Fibers", realizada en la última conferencia de la Synthetic Yarn and Fabric Association (SYFA).

enero/febrero 2023