El desarrollo de las fibras en el pasado podría sugerir el futuro de las mismas.
Por Jeff Dugan
Podríamos repetir ahora la conocida sentencia de Marcus Aurelius, “Mirando hacia el pasado, uno puede predecir el futuro”. Esta misma idea se puede aplicar a la investigación y el desarrollo de las fibras. Para tener una idea de hacia dónde se dirige el desarrollo de las fibras podríamos decir que, para mirar hacia el futuro, el mejor indicador es el pasado. No hay una bola de cristal y no hay forma de predecir verdaderamente el futuro, sino solo un “grado de sugerencia o especulación”, lo que se podría llamar en inglés “guess-o-meter”.
Pero el pasado sugiere futuras direcciones. Algunos desarrollos están más cercanos y son menos un salto de fe, mientras que otros desarrollos son proyectos a largo plazo que podrían o no podrían, convertirse en realidad.
La distancia entre una gran idea y la comercialización de la misma es muy larga y, desafortunadamente hay muchas oportunidades para que se cometan errores o algo salga malo. Algunas veces, las ideas más grandes nunca se convierten en realidad.
Si comparamos la industria de las fibras de la actualidad con la de hace 20 o 30 años, podemos decir que la situación no ha cambiado mucho. En la actualidad, el poliéster es todavía el rey y las mezclas de poliéster/algodón todavía son convertidas en tejidos planos y de punto. Hace 20 o 30 años, la gente pensó que todos iban a usar tejidos no tejidos en unas pocas décadas, pero esto no ha sucedido todavía, aunque todavía podría ser algo real.
Obviamente, todavía se está realizando investigación y desarrollo en este campo, y las cosas que están en desarrollo hoy en día 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 todavía podrían ser de importancia en la industria de las fibras.
Además, los grandes desarrollos que han ocurrido, han tenido lugar en su mayoría en las márgenes. Si la historia es una línea directa — y, por supuesto, nunca lo es — pero si el futuro es como el pasado, entonces las márgenes son en donde permanecerán los nuevos desarrollos.
Si este es el caso, entonces, ¿Porqué enfocarse en nuevas innovaciones? La respuesta es porque ahí es en donde está el dinero. Incluso si una compañía está trabajando en un desarrollo que va a permanecer en las márgenes, es ahí en donde los productores pueden ganar dinero en lugar de competir solamente basados en precio y volumen. Esta es una de las razones por la que las compañías persiguen las innovaciones y los nuevos desarrollos.
También existe el sueño de que no solo la investigación crea algo que es rentable o ganancioso, sino que también tal vez podría resultar en un “nuevo poliéster”, que de manera fundamental cambiaría a la industria. El poliéster ha sido el rey durante décadas, pero no existía hace 100 años, y el cambio se producirá eventualmente.
Fibras Bi-componentes
Las fibras bi-componentes no son algo nuevo, pero uno de sus usos no se ha explotado plenamente en su aplicación de fibra aglutinante. Hay una nueva tecnología en desarrollo que permitirá expandir el desempeño de las fibras aglutinantes.
La gente está muy familiarizada con las fibras aglutinantes tipo estándar, pero con nuevos desarrollos en polímeros, están disponibles ahora temperaturas de derretido adecuadas para la aplicación de estas fibras. La habilidad para escoger entre un aglutinante amorfo y uno cristalino puede ser algo mejor apropiado para que un producto realice el trabajo que necesita hacer.
Además, una posibilidad aún más nueva es un aglutinador que se bondea o adhiere al tejido desde un principio, y también a cualquier tiempo que sea necesario para la aplicación, los bondeados pueden ser eliminados o descargados. Estas son posibilidades potenciales a corto plazo en el campo de las innovaciones de fibras aglutinantes.
Las tecnologías tipo “taggant” es otra tecnología de bi-componentes que está disponible en la actualidad, pero que no se utiliza mucho, y hay mucho valor en este tipo de tecnología de fibras. Se puede crear un dispositivo indicador, tal como una barra codificada 2D (barcode), o se pueden usar materiales que iluminen las fibras cuando las mismas se vean usando diferentes ondas de luz.
Una barra codificada 2D provee gran cantidad de información cuando se requiere usar un método tipo forénsico para determinar la sección cruzada y extraer la información de la barra codificada. En comparación, una etiqueta que es revelada usando una cierta longitud de onda de luz es una tecnología binaria y más simple, que solo identifica la fibra si la misma está presente. No hay mucha información en este tipo de etiqueta, pero puede ser útil en ciertas aplicaciones, tales como en el escaneo en el punto de venta.
Es posible que en el futuro se podría requerir algún tipo de tecnología “taggant” con el fin de obtener más responsabilidad en lo procesos subsiguientes. Tales aplicaciones ofrecen una manera de extender la tecnología de bi-componentes más allá de donde se encuentra ahora.
Un método más nuevo es usando un aditivo de ADN a estas tecnologías “taggant”. El ADN se puede insertar ahora en una fibra que contiene mucha información, similar a la de la barra codificada 2D. Una ventaja de usar ADN es que la información extraída es más directa y no es necesario usar un método forénsico. Esta tecnología no es barata, pero es una forma más directa de incrustar mucha información en la fibra.
Además de las fibras tipo “taggant”, las fibras que se pueden partir ofrecen también algunas posibilidades de expansión para las fibras bi-componentes en el mercado. Cuando e producen hilados de fibra cortada, las microfibras presentan un problema en las máquinas de cardado. Sin embargo, con el control de la sección cruzada de una fibra bi-componente, la participación de la fibra puede ser controlada, lo que ofrece una manera de incorporar microfibras en los hilos de fibra cortada.
La propiedad de partición es importante debido a que los procesos de cardado son todos diferentes, y el diseño y aplicación pueden requerir una mezcla diferente de microfibras que se puedan partir y de no microfibras. Con todas las diferentes secciones cruzadas que pueden ser producidas en combinación con muchos tipos diferentes de polímeros disponibles, y es posible manufacturar una amplia gama de fibras que se puedan partir.
Las fibras bi-componentes que se pueden partir y cardar, incluyen los siguientes tipos (Ver Figura 1):
- Fibras huecas;
- Fibras huecas de envoltura parcial;
- Fibras estándar;
- Fibras estándar de envoltura parcial; y
- Fibras huecas de envoltura completa.
Con una amplia gama de posibilidades de partición es posible procesar y cardar, de acuerdo a especificaciones, una mezcla en donde las fibras bi-componentes sean partidas durante el cardado. La condición que hay que tener es que de haber en la mezcla algunas fibras que no sean microfibras y que no se puedan partir, para efectuar todo el proceso completo. Pero esta técnica permite que las microfibras se puedan mezclar con los hilos de fibras cortas.
Esta expansión de aplicaciones de las fibras bi-componentes pueden requerir algún trabajo adicional más adelante, pero es una fruta baja disponible y está madura para su desarrollo a corto plazo.
Fibras Ecológicas
Otro desarrollo a corto plazo en el futuro de “adivinanzas” de las fibras son las fibras con ventajas ecológicas. El término fibra “verde” puede significar muchas cosas diferentes, y hay mucho más en lo que se refiere a las fibras “verdes” que la sustentabilidad o la mitigación del bióxido de carbono, incluyendo preocupaciones causadas por los micro-plásticos, la toxicidad, y problemas en los sitios de basureros municipales.
Diferentes tecnologías de fibras se refieren a diferentes problemas ecológicos, y el término de ventaja ecológica es un término adecuado que se puede usar para cubrir muchos escenarios.
Una de las primeras cosas que ya están en camino es un papel de la expansión de las fibras naturales. Es claro desde el punto de vista del consumidor que estas fibras son “más verdes” o amenas al medio ambiente que el plástico. Sin embargo, a pesar de la demanda, las fibras naturales no son un 100% de lo que era corriente antes en textiles, debido a que no ofrecen las propiedades que ofrece el poliéster en casos particulares.
Para que el uso de las fibras naturales se expanda mucho más de lo que ya ha alcanzado, se necesita hacer algún trabajo para modificar químicamente las fibras y expandir el sobre de sus capacidades. Los productores de las fibras de ácido poliláctico (PLA) ya han visto alguna reacción en el uso del polímero debido a que se está usando maíz y se está consumiendo, por lo tanto, parte de la cadena alimenticia.
Por consiguiente, la expansión de las fibras naturales puede depender de la pregunta, “¿Fibras o alimentos?”. Últimamente, la batalla — si hay alguna batalla — entre las fibras naturales y las sintéticas va a hacer una cuestión que está limitada, potencialmente, por la evolución de los plásticos. Se está efectuando mucho trabajo en la industria de los plásticos para corregir algunos de los problemas ecológicos presentados por los plásticos y es imperativo encontrar soluciones. No muchas de las soluciones son efectivas en los costos, pero al menos tecnológicamente hay muchas respuestas a los problemas ambientales. La velocidad del desarrollo y el costo último de las nuevas soluciones podría muy bien limitar el impulso de enfocarse más en las fibras naturales.
Una tecnología más reciente desarrollada en la industria de los plásticos y que ofrece una gran ventaja es el uso de aditivos que mejoran la degradación (conocidos como DEAs por sus siglas en inglés). Una tecnología de este tipo se denomina CiCLO®, y es ofrecida por Intrinsic Advanced Materials (Materiales Intrínsicamente Avanzados), que es una firma de sociedad compartida (joint venture) entre Intrinsic Textiles Group y Parkdale Advanced Materials. Hay otras tecnologías en el mercado, y ellas trabajan básicamente de la misma manera. Cuando los DEAs son agregados a casi cualquier tipo de plástico, el material se degradará en un ambiente rico en microbios en 2 a 3 años, y no en 200 a 300 años como en los plásticos corrientes.
Una de las cosas atrayentes de estas tecnologías es su relativamente bajo costo en comparación con los biopolímeros, que son buscados a menudo para resolver problemas ambientales. Los biopolímeros ofrecen muchas ventajas técnicas, pero ninguna de ellas es barata. En cambio, los DEAs tienen un costo relativamente bajo y se pueden colocar en el producto desde un principio. Otra gran ventaja es que los biopolímeros requieren un sacrificio significante en propiedades en la aplicación o el procesamiento, o en ambas.
Los componentes DEAs permiten un beneficio ecológico a bajo costo, con rapidez, y sin sacrifico esencial de las propiedades. Además, algunos biopolímeros requieren composta para su degradación, mientras que los DEAs permiten que una fibra se degrade en un ambiente rico en microbios y sin requerir composta.
Una desventaja es que la degradación no ocurre tan rápido como es el caso de algunos polímeros tales como PLA. Pero hay una proposición importante para el uso de los DEAs cuando se compara un producto que se degrada o descompone con rapidez pero es costoso y cuesta mucho en términos de propiedades, en comparación con una fibra con DEAs que no se descompone ahí mismo, pero se degrada en un par de años en lugar de siglos y la tecnología ya existe. Los DEAs se convertirán probablemente en una tecnología importante en un periodo de tiempo relativamente corto.
El furanoato de polietileno (PEF) es un nuevo biopolímero que está siendo desarrollado principalmente por la firma Avantium, en Holanda, entre otras compañías. El PEF es una excepción en el mundo de los biopolímeros porque al escoger ingredientes de base biológica, o sea bio-basados (biobased), esto no significa el sacrificio de propiedades de la fibra como es el caso con otros biopolímeros.
El tereftalato de polietileno (PET), completamente basado en biología, todavía no es una realidad debido a que el etileno bio-basado es un alimento disponible para el ganado, pero la parte de tereftalato es realmente dificultosa. En el PEF, el monómero de furanoato — 2.5-ácido de furandicaboxilico — se combina con el glicol de etileno bio-basado para formar un polímero que es muy similar al PET, pero el monómero de de furanoato también es bio-basado, de manera que el polímero PEF resultante es 100% bio-basado. La fibra tiene alguna degradación natural, pero no es espontáneamente biodegradable, lo que es útil debido a que muchas aplicaciones requieren durabilidad.
El PEF está entre los dos extremos — no se degrada ahí mismo, pero se puede degradar si es necesario. Las propiedades de la fibra son comparables al poliéster, pero la fibra es biodegradable a término medio y puede ser reciclada en corrientes típicas de reciclado de PET, lo que es una ventaja significante.
Otra ventaja es que el PEF puede ser producido en una planta PET existente. Las reacciones cinéticas son diferentes, pero fundamentalmente, los manufactureros solo necesitan intercambiar el monómero de tereftalato por el monómero de furanoato. Además, el PEF en particular puede ser un buen polímero para ser usado en combinación con DEAs.
Una desventaja del PEF es su costo. Esto es debido en parte al hecho de que está en sus primeras etapas de desarrollo, y por lo tanto, el precio rebajará eventualmente. Avantium ha compartido las proyecciones para el costo, y está prediciendo que con el aumento en la producción, el precio será comparable al PLA, o tal vez un poco más alto. Pero esto es un precio premium significante, lo que ha impedido francamente la adopción del PLA en los mercados en masa.
Al frente del precio, hay otras razones para creer que el costo bajará a un nivel aceptable. Se están realizando investigaciones para desarrollar un proceso de polimerización que puede reducir el costo de elaborar el PEF en casi un 20% de lo que es en la actualidad.
Además, la barrera contra el oxígeno del PEF es fantástica. Esta propiedad no significa nada en las fibras, pero es muy importante en el mercado de botellas de plástico. La firma Coca-Cola, entre otras compañías, está invirtiendo gran cantidad de dinero para desarrollar botellas de bio-plástico, lo que acelerará el desarrollo del PEF.
La otra opción es la de hacer un PET 100% biodegradable, lo cual puede ser hecho, pero es costoso y a pesar de grandes inversiones todavía no ha llegado a su punto de madurez. Y teniendo en cuenta las diferencias en propiedades, el PEF tiene la oportunidad de ser el ganador sobre el poliéster biodegradable. Si esto se convierte en realidad, los volúmenes serán enormes y los costos serán reducidos. El PEF es una fibra que hay que tener en cuenta. La investigación todavía no ha llegado hasta este punto, pero ya está en trabajo la producción de la primera etapa piloto a gran escala.
Los alkanoatos de polihidroxy (PHAs) son otra clase de biopolímeros que hay que tener en cuenta. Pero todavía no están listos para salir en primera plana como una fibra textil, pero la tecnología ya está más cerca de la comercialización. Los PHAs tienen muchas ventajas en comparación con otros materiales. Son 100% bio-basados y son biodegradables espontáneamente. Como se mencionó anteriormente, es una ventaja que el PEF tenga alguna durabilidad — esto es algo que es deseado en muchas aplicaciones. Pero hay otras aplicaciones en donde es importante una degradación espontánea. En cualquier parte en que hayan microbios, el PHAs será degradable. Esto no significa que se degradará colgado en el closet. Pero cuando se deja en el suelo, la degradación es rápida; y el polímero es también degradable en el mar, lo que es una solución prometedora al problema de los plásticos en el mar y los problemas de los micro-plásticos. Es probable que los PHAs estarán disponibles a un bajo costo en la producción a escala — probablemente incluso más baratos que el poli-propileno, lo que es una ventaja tremenda en comparación con otros biopolímeros.
Los PHAs se pueden fabricar también de casi cualquier material biológico o de bióxido de carbono, de modo que el azúcar del maíz u otras fuentes alimenticias no se verán afectadas. Las fábricas pueden incluso usar bióxido de carbono capturado por un barredor en una chimenea como materia prima para PHAs — ¿Qué más “verde” puede ser esto?
Los PHAs todavía no han llegado a su punto de madurez en términos de procesamiento, pero esto es basado en química que tiene una amplia propiedad de ser individualizada. Hay muchas maneras de ajustar o variar las propiedades del polímero y, en este caso, además de las importantes ventajas ecológicas, hay esperanzas de que más desarrollos ayudarán a encontrar más soluciones.
El reciclado usando productos químicos es también, potencialmente, de gran importancia en las categorías de fibras con ventajas ecológicas. Hace varios años, la firma BASF consideró la despolimerización del nylon. En ese entonces, no era un problema del medio ambiente, sino más bien una investigación ligada a los costos, pero la compañía determinó que su costo era prohibido. Es interesante señalar una nueva actividad en esta área en la actualidad. Ahora se están construyendo plantas para el reciclado del poliéster y del polipropileno en muchas partes del mundo, y es difícil de imaginar qué clase de capital sería invertido en este caso, a menos de que sea una empresa rentable.
El reciclado químico también elimina el reciclado bajo, de modo que es posible que el poliéster se pueda reciclar continuamente.
Hay ahora un debate acerca del reciclado versus el uso de biopolímeros, debido a que el reciclado parece ser algo sencillo — es solo un proceso mecánico — y los biopolímeros parecen ser más exóticos y con más ventajas. Pero en términos de ofrecer una ventaja ecológica, el reciclado, en el contexto apropiado, puede ser más poderoso que un polímero que se degrada fácilmente. En el futuro, habrá mucho más énfasis en los esfuerzos del reciclado químico.
Aplicaciones Eléctricas
Hay cosas que se pueden hacer con fibras y textiles que todavía no se han desarrollado adecuadamente, incluyendo aplicaciones eléctricas. Prendas con funcionabilidad eléctrica — agregando alambres a los textiles — han estado en desarrollo durante algún tiempo, pero todavía no han causado una tormenta en la industria. Pero las innovaciones se realizan constantemente, y es probable que se resuelvan los desafíos.
En este caso, los substratos activados eléctricamente ofrecen una gran promesa y podrían ser muy útiles. Piense acerca de un estímulo eléctrico que activa el movimiento en un substrato, por ejemplo. Otros tipos de activación incluyen textiles foto-voltaicos que pueden ser útiles en las prendas, en persianas para ventanas, o en substratos para techos.
Tales tecnologías también se podrían usar para crear pantallas digitales que se puedan doblar o enrollar y que podrían eliminar la necesidad de un proyector separado. Esta clase de tecnología no es algo que podría ser producida mañana — todavía hay que realizar mucho trabajo e investigación para ver cómo trabajaría exactamente — pero ya hay materiales disponibles que son apropiados para este tipo de trabajo, y hay suficiente valor monetario en este campo para justifica la investigación.
Los textiles también pueden ser conductores de electricidad. Hay un polímero que es naturalmente conductivo, la polianilina, que tiene una conductividad limitada pero el hecho de que esto exista sugiere de que se debe realizar trabajos de desarrollo para crear una fibra más conductiva y que sea más valiosa que la polianilina disponible en la actualidad.
Las fibras conductivas se pueden crear también usando aditivos conductivos tales 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 conductivo, pero lo que es más interesante es los nanotubos de carbono de una sola pared no solo son conductivos, sino que también son super conductores. Si estos nanotubos de carbono microscópicos se pueden incrustar en una matriz de poliéster, por ejemplo, y si fuera posible fabricar algo de una longitud práctica, estos nuevos materiales podrían ofrecer mucho valor como super conductores.
Es posible depositar metal en los polímeros — por ejemplo, la deposición de plata en el nylon — pero estas fibras son muy costosas debido a la cantidad de plata requerida. Sin embargo, la plata no se puede depositar en el poliéster utilizando el mismo proceso usado para depositar plata en el nylon. De modo que, imagine una fibra bi-componente con solo una cinta de nylon a lo largo. La plata se podría depositar solo en el nylon para crear una fibra que ofrezca un 100% de conductividad por una fracción del costo.
Además, para las aplicaciones eléctricas, el fluoruro de polivinildeno se derrite de manera extrusada, de modo que se puede convertir en fibras. Y cuando se alargan y estiran las fibras durante la producción en un campo eléctrico orientado apropiadamente, el resultado es una fibra que es piezo-eléctrica. Debe haber valor en una fibra piezo-eléctrica para ser usada en sensores, actuadores, o músculos sintéticos, y estos son solo unos pocos ejemplos. Esta es una oportunidad de valor que no se ha explotado en el campo de las fibras, esperando que alguien encuentre la solución.
Fibras de Proteína de Hilado Solvente
Moviéndonos hacia otro territorio en relación con el futuro de las fibras, existen fibras de proteína de hilo solvente. El horizonte en esta categoría casi no tiene límites. La meta es la de usar proteínas e hilar las mismas usando hilatura tipo solvente — usando idealmente agua como el solvente para asegurar un proceso que sea seguro bajo el punto de vista ecológico — para fabricar algo similar a una seda de araña sintética con todas las propiedades que se deben esperar de una fibra — peso liviano, fuerte, y con estiramiento.
Hay mucha investigación en esta área y las cosas se están acercando cada día al punto de comercialización. Una vez se encuentre una solución para producir una fibra de proteína que se pueda usar comercialmente, la seda de araña sería simplemente el comienzo debido a que hay un panorama completamente nuevo de productos químicos para trabajar y que ofrecen una enorme gama de nuevas propiedades. No solamente propiedades mejoradas, sino también diferentes propiedades.
Este campo está maduro para su cosecha si se puede desarrollar la tecnología fundamental. Se requiere un momento como el que tuvo Wallace Carothers en las fibras de proteína y, una vez que esto suceda, se abrirá un nuevo mundo que podría cambiar completamente el panorama de las fibras de una manera no vista en los últimos 20 a 30 años.
La Tercera Dimensión
Llevando casi a la cúspide el futuro de conjeturas son las fibras tipo 3D (tridimensionales). La innovación conquistó primero una dimensión — qué tan larga debería ser una fibra — y esa fue la única variable. Luego, la investigación hizo que fuera posible controlar la variación en la segunda dimensión para producir fibras bi-componentes y de secciones cruzadas no circulares. Pero examinando la tercera dimensión en las fibras podría producir una gran cantidad de valor económico. Por ejemplo, tal vez sería posible cambiar la manera en que se forma la figura o tamaño de la fibra o la composición de la misma a lo largo de su longitud — de tal manera que en este caso la fibra tiene una sección cruzada en una parte y otra sección cruzada diferente en otro punto más adelante; o de que se cuente con un material en un punto de la fibra y luego otro material o una combinación de materiales diferentes en otra longitud de la fibra. Tal vez en 20 o 30 años, la industria de fibras estará más próxima a producir tales tipos de fibras.
Una aplicación posible para estas fibras sería en una fibra sintética con una apariencia y tacto similar a las plumillas de ganso (down), las cuales tienen barbillas a lo largo de su longitud (Ver Figura 2), ya que estos son los productos de fibras más costosos que existen en la actualidad. Cuando las capas de plumillas de ganso son comprimidas, las barbillas toman la forma de fibras perpendiculares y la fibra se dobla en lugar de empujar. Cuando la presión es liberada, la plumilla se expande de nuevo y se mantienen las propiedades de aislamiento. Una fibra sintética parecida a las plumillas de ganso sería un producto de gran valor, pero hay que desarrollar primero la tecnología para cambiar la forma y tamaño de la fibra a lo largo de su longitud.
Esta es solo una vista general de lo que se podría esperar del futuro de las fibras si el “guess-o-meter” es correcto. Podría trabajar de esa manera, o tal vez no, pero los desarrollos del pasado sugieren la dirección del futuro.
Nota del Editor: Jeff Dugan es el co-fundador de la firma Fiber Innovation Technology (Tecnología de Innovación de Fibras), y sirvió como su vicepresidente de investigación hasta su reciente retiro. Dugan se dedicará ahora a ayudar a personas involucradas en proyectos de nuevas fibras como consultante en algunas ocasiones. Durante su carrera de 39 años, Dugan fue el autor de numerosos artículos y ensayos y es nombrado en casi 50 patentes. También presentó el primer y único TED Talk sobre el tópico de las fibras. Este artículo está basado en contenido de la presentación de Dugan, titulada “las Fibras del Futuro”, que fue presentado en la última conferencia de la Asociación de Hilos y Tejidos Sintéticos (Synthetic Yarn and Fabric Association, o sea SYFA).
Mayo-Junio de 2023
