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 tener una idea de hacia dónde podrían ir los desarrollos de la fibra en el futuro, el mejor indicador es el pasado. No existe una bola de cristal ni una forma de predecir verdaderamente el futuro, sólo 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 su comercialización es muy larga y lamentablemente hay muchas posibilidades de que las cosas salgan mal. A veces, las mejores ideas simplemente no dan resultado.

Si comparamos la industria de la fibra actual 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 poliéster y algodón todavía se tejen y 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 no ha sucedido todavía, aunque eventualmente podría suceder. Obviamente, la investigación y el desarrollo están en curso y las cosas que están en desarrollo hoy cambiarán la faz 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 siéndolo en la industria de la fibra.

Además, los grandes acontecimientos que han tenido lugar en su mayoría han sido marginales. Si la historia es una línea recta (y por supuesto nunca lo es), pero si el futuro es como el pasado, entonces la mayoría de los nuevos acontecimientos permanecerán en los márgenes.

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 sólo puede crear algo que sea rentable, sino que quizás dé como resultado un “nuevo poliéster” que cambie fundamentalmente la industria. El poliéster ha sido el rey durante décadas, pero no existía hace 100 años y eventualmente se producirán cambios.

Las fibras bicomponentes no son nuevas, pero uno de los usos aún sin explotar es el de las aplicaciones de fibras aglutinantes. Hay una nueva tecnología en funcionamiento 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 realizar 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, se pueden liberar las uniones. Éstas son posibilidades potencialmente a corto plazo en las innovaciones en fibras aglutinantes.

Las tecnologías Taggant son otra tecnología bicomponente disponible actualmente 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 utilizar materiales que iluminen la fibra cuando se ve con diferentes longitudes de onda de luz.

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

Es posible que en el futuro se requiera algún tipo de tecnología de etiquetado para tener responsabilidad posterior. Estas aplicaciones ofrecen una forma de llevar la tecnología de dos componentes más allá de donde se encuentra 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 utilizar ADN es que extraer la información es más sencillo y no son necesarios métodos forenses. Esta tecnología no es más barata, pero sí es una forma más sencilla de incorporar mucha información en una fibra.

Más allá de los etiquetas, las fibras divisibles también ofrecen algunas posibilidades de expansión para las fibras bicomponentes en el mercado. Al producir hilos hilados, las microfibras plantean un problema en la máquina cardadora. 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 manera de incorporar microfibras en hilos hilados. La propiedad de disociabilidad es importante porque los procesos de cardado son todos diferentes y el diseño y la aplicación pueden requerir una mezcla diferente de microfibras y no microfibras divisibles. 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 fibras divisibles.

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

Con una variedad de posibilidades de división, es posible adaptar una fibra a un proceso y cardar una mezcla donde las fibras bicomponentes se dividen durante el cardado. La advertencia es que tiene que haber algunas fibras que no se puedan dividir y que no sean microfibras en la mezcla de fibras para transportar toda la fibra a través del proceso. Pero esta técnica permite mezclar microfibras en hilos hilados. Esta expansión de las aplicaciones de fibras bicomponentes puede requerir algún trabajo posterior adicional, pero es una fruta bastante madura que está disponible y madura para su desarrollo en el corto plazo.

Otro avance a corto plazo en el “medidor de adivinanzas” del futuro de la fibra son las fibras ambientalmente ventajosas. El término fibra "verde" puede significar muchas cosas diferentes, y las fibras "verdes" implican mucho más que solo sostenibilidad o mitigación de dióxido de carbono, incluidas preocupaciones sobre microplásticos, toxicidad y problemas de vertederos. Las diferentes tecnologías de fibra abordan diferentes preocupaciones medioambientales y el término ventajas medioambientales es un término apropiado para cubrir muchos escenarios.

Una de las primeras cosas que ya está en marcha es la ampliación del papel de las fibras naturales. Desde el punto de vista del consumidor, está claro que estas fibras son más ecológicas que el plástico. Sin embargo, a pesar de la demanda, las fibras naturales no constituyen el 100 por ciento de lo que se utiliza en los textiles porque no ofrecen las propiedades que ofrece el poliéster en particular.

Para que el uso de fibras naturales se expanda mucho más de lo que ya lo 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 debemos usar nuestra tierra para producir algo que no sea alimento. Los productores de fibras de ácido poliláctico (PLA) ya han visto cierto rechazo al 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 alimento?” En última instancia, la batalla (si es que es siquiera una batalla) entre las fibras naturales y sintéticas será 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 todavía rentables, pero al menos tecnológicamente hay muchas respuestas a los problemas medioambientales. La velocidad del desarrollo y el costo final de las nuevas soluciones pueden muy bien limitar el impulso para centrarse más en las fibras naturales.

Una tecnología más nueva desarrollada en la industria del plástico que ofrece una gran rentabilidad son los aditivos que mejoran la degradación (DEA). CiCLO® es una de esas tecnologías ofrecida por 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 añaden 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.

Uno de los atractivos de estas tecnologías es su coste relativamente bajo en comparación con los biopolímeros, que a menudo se buscan para resolver problemas medioambientales. Los biopolímeros ofrecen muchas ventajas técnicas, pero ninguna de ellas es barata. Los DEA tienen un costo relativamente bajo y pueden incorporarse a 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 y prácticamente sin sacrificar 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 es posible que la degradación no se produzca tan rápido como en algunos de otros polímeros, como el PLA. Pero existe una propuesta convincente para el uso de DEA cuando se compara un producto que se degrada rápidamente pero es caro y cuesta mucho en términos de propiedades versus una fibra con DEA que no se degrada inmediatamente, 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 bastante corto.

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

El tereftalato de polietileno (PET) totalmente de origen biológico aún no es una realidad porque el etileno de origen biológico es una materia prima disponible, pero la parte del tereftalato es realmente complicada. En el PEF, el monómero furanoato (ácido 2,5-furandicaboxílico) se combina con etilenglicol de base biológica para producir un polímero que es muy similar al PET, pero el monómero furanoato también tiene base biológica, por lo que el polímero PEF resultante es 100 por ciento de base biológica. La fibra tiene cierta degradabilidad natural, pero no es espontáneamente biodegradable, lo cual resulta útil porque muchas aplicaciones requieren durabilidad. El PEF se encuentra entre los dos extremos: no se degrada inmediatamente, pero se puede hacer que se degrade 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 de PET típicos, 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 sólo necesitan cambiar el monómero de tereftalato por el monómero de furanoato. Además, el 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 del PLA, tal vez un poco más alto. Pero se trata de una prima significativa, que francamente ha obstaculizado la adopción del PLA en los mercados masivos.

En cuanto al precio, hay otras razones para creer que el costo alcanzará un nivel aceptable. Se están llevando a cabo algunas investigaciones para desarrollar un proceso de polimerización que pueda reducir el costo de producir PEF a alrededor del 20 por ciento de lo que es ahora. Además, la barrera al 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 en el desarrollo de botellas de bioplástico, lo que impulsará el desarrollo del PEF.

La otra opción es fabricar un PET 100 por ciento biodegradable, algo que se puede hacer, pero es caro y, a pesar de las grandes inversiones, todavía no se ha resuelto el problema. Y teniendo en cuenta las diferencias de propiedades, el PEF tiene la posibilidad de ser el ganador sobre el poliéster biodegradable. Si es así, los volúmenes serán enormes y el coste se reducirá. El PEF es una fibra a tener en cuenta. La investigación aún no ha llegado a su fin, pero se está trabajando en la primera planta a escala piloto.

Los polihidroxialcanoatos (PHA) son otra clase de biopolímeros que merece la pena observar. Todavía no están del todo listas para su uso como fibra textil, pero la tecnología está cada vez más cerca de su comercialización. Los PHA tienen muchas ventajas sobre otros materiales. Son 100 por ciento de base biológica y son espontáneamente biodegradables. Como se mencionó anteriormente, es una ventaja que el PEF tenga cierta durabilidad; eso es algo que se deseará en muchas aplicaciones. Pero existen otras aplicaciones en las que 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 los 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 enorme ventaja sobre otros biopolímeros. Los PHA también pueden elaborarse a partir de casi cualquier biomaterial o dióxido de carbono, de modo que los azúcares del maíz u otras fuentes alimenticias no se vean afectados. Las fábricas pueden incluso utilizar dióxido de carbono capturado por un depurador en una chimenea como materia prima para un PHA. ¿Qué tan ecológico es eso? Los PHA aún no han llegado a ese punto en términos de procesabilidad, pero esta es una base química que tiene una amplia adaptabilidad. Hay muchas formas de adaptar las propiedades del polímero y se espera que esto, además de las convincentes ventajas medioambientales, impulse el desarrollo de una solución.

El reciclaje químico también es potencialmente un gran problema en la categoría de fibras ambientalmente ventajosas. Hace años, BASF investigó la despolimerización del nailon. En aquel entonces, no era una cuestión medioambiental, sino más bien una investigación basada en los costes, pero la empresa determinó que el coste 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 es posible que un poliéster pueda reciclarse eternamente.

Existe un debate sobre el reciclaje versus el uso de biopolímeros porque el reciclaje parece muy simple (es simplemente un proceso mecánico) y los biopolímeros parecen más exóticos y ventajosos. Pero en términos de ofrecer una ventaja ambiental, el reciclaje, en el contexto adecuado, puede ser más poderoso que un polímero que se degrada fácilmente. En el futuro, se prestará mucha más atención a los esfuerzos de reciclaje químico.

Hay cosas que se pueden hacer con fibras y textiles que aún no se han desarrollado adecuadamente, incluidas aplicaciones eléctricas. La indumentaria eléctricamente funcional (añadir cables a los textiles) se viene desarrollando desde hace algún tiempo, pero aún no ha conquistado 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 resultar muy útiles. Piense, por ejemplo, en un estímulo eléctrico que activa el movimiento en un sustrato. U otros tipos de activación incluyen textiles fotovoltaicos que pueden ser útiles en prendas de vestir, persianas o sustratos para techos. Estas tecnologías también podrían usarse para crear pantallas plegables o enrollables que eliminarían la necesidad de un proyector separado. Este tipo de tecnología no es algo que pueda producirse 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 para que la investigación vale la pena.

Los textiles también pueden ser conductores. Existe un polímero naturalmente conductor, la polianilina, que tiene una conductividad limitada. Pero el hecho de que exista sugiere que se podrían realizar trabajos de desarrollo para crear una fibra más conductora y más valiosa que la polianilina actualmente disponible.

También se pueden crear fibras conductoras utilizando aditivos conductores como nanotubos de carbono o tecnologías de deposición de vapor.

Los nanotubos de carbono pueden usarse para producir un hilo que sea más conductor, pero lo más interesante es que los nanotubos de carbono de pared simple no sólo son conductores, sino que 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, deposición de plata sobre nailon), pero esas fibras se vuelven muy caras debido a la cantidad de plata involucrada. Sin embargo, la plata no se puede depositar sobre poliéster mediante el mismo proceso que se utiliza para depositar plata sobre nailon. Entonces, imagine una fibra de dos componentes con solo una astilla de nailon por todas partes. La plata podría depositarse sólo sobre el nailon para crear una fibra que ofrezca el 100 por ciento de la conductividad por una fracción del costo.

Además, para aplicaciones eléctricas, el fluoruro de polivinilideno se puede extruir en estado fundido para que pueda convertirse 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, por poner solo algunos ejemplos. Esta es una oportunidad valiosa y sin explotar en el ámbito de la fibra a la espera de que alguien encuentre una solución.

Pasando a otro territorio en lo que respecta a las fibras del futuro de fantasía, se encuentran las fibras proteicas hiladas con solventes. El horizonte en esta categoría es casi ilimitado. El objetivo es utilizar proteínas y hacerlas girar con solventes (idealmente usando agua como solvente para garantizar un proceso ambientalmente seguro) para hacer algo similar a una seda de araña sintética que tenga todas las propiedades que puedas desear en una fibra: liviana, fuerte y con estiramiento.

Hay mucha investigación en esta área y cada día estamos más cerca de la comercialización. Una vez que se encuentra una solución para producir una fibra proteica utilizable comercialmente, la seda de araña es solo el comienzo porque existe un panorama completamente nuevo de sustancias químicas con las que trabajar que ofrecen una enorme gama de nuevas propiedades. No sólo propiedades mejoradas, sino propiedades diferentes. El campo está listo para ser elegido 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 completamente el panorama de las fibras de una manera no vista en los últimos 20 a 30 años.

Casi llevando al máximo el futuro “adivinador” están las fibras 3D. La innovación primero dominó una dimensión: la longitud de una fibra, y esa fue la única variable. Luego, la investigación permitió controlar la variación en la segunda dimensión para producir fibras bicomponentes y de sección transversal no circular. Pero examinar la tercera dimensión de las fibras puede aportar mucho valor. Por ejemplo, tal vez sea posible cambiar la forma en que se forma 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 dentro de 20 o 30 años la industria esté más cerca de producir este tipo de fibras.

Una posible aplicación es el plumón de ganso sintético. El plumón de ganso, que tiene pequeñas bárbulas a lo largo (ver 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 la fibra se dobla en lugar de pasar. Cuando se libera la presión, el plumón se expande 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 sólo una visión de dónde puede estar el futuro de las fibras si el “calculador” es correcto. Puede que funcione 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 ocasionalmente a personas con nuevos proyectos de fibra como consultor. Durante sus 39 años de carrera, Dugan fue autor de numerosos artículos y figura 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, “Fibras del futuro”, realizada en la última conferencia de la Asociación de Hilos y Tejidos Sintéticos (SYFA).

enero/febrero 2023