Muchos avances experimentados en la vida diaria han sido impactados por el uso de la nanotecnología y los nano-materiales o sea, materiales de tamaño muy diminuto. El mundo textil ha entrado también a esta tendencia con muchos nuevos productos que están siendo lanzados al mercado y los cuales tienen la habilidad de controlar la función de materiales al nivel atómico o molecular. ¿Qué son los nano-materiales y porqué ya son una fuente significante de innovación en la industria textil?
Los nano-materiales son materiales cuyas dimensiones características son en el orden de nanometros (nm). Dependiendo de la definición que se desee, esto puede significar menos de 100 nm o menos de 1.000 nm (1 micrón). Sin embargo, se acepta generalmente que las estructuras de menos de 500 nm caen en la gama de los nano-materiales.
Aunque los nano-materiales no son un invento humano — el humo, la ceniza volcánica, y el rociado de sal marina son a menudo de dimensiones de nano-escala — la idea de desarrollar procesos que permiten la síntesis controlada de materiales con dimensiones de nano-escala forman la base de la nanotecnología.
La fuerza principal para el uso de la nanotecnología para modificar los textiles es la oferta de un creciente número de funciones y mejoramientos en el rendimiento o desempeño. Con la disminución de las dimensiones, muchas de las propiedades asociadas con un material de gran volumen pueden cambiar de manera significante en la escala nano. Estos materiales pueden tomar la forma de fibras, partículas o revestimientos. Los textiles se pueden crear directamente usando 100% nano-materiales. Un buen ejemplo de esto son las napas de no tejidos hechas de nano-fibras. Sin embargo, también es común que las fibras y estructuras textiles establecidas se puedan modificar en alguna manera usando un nano-material.
Vista de un tejido notejido producido usando solamente nano-tubos de carbono.
(Foto por cortesía de Amanda Padbury).
Nano-fibras
Durante la última década se han visto mayores avances en las tecnologías para la producción de nano-fibras. Las nano-fibras son deseables en muchas aplicaciones debido a que poseen muchas de las mismas propiedades de las pequeñas microfibras. Sin embargo, a medida que las fibras continúen disminuyendo su tamaño, hasta el campo nano, se presentan enormes incrementos en área de superficie específica — área de superficie normalizada como por la masa.
Como ejemplo, una fibra típica de polímero con 1 micrón de diámetro tiene un área superficial de aproximadamente 4 metros cuadrados por gramo (m2/g). Esta misma fibra con un diámetro de 100 nm tiene una área de superficie específica de 40 m2/g. Este incremento permite obtener una gama de propiedades mejoradas y ofrece nuevas aplicaciones potenciales. La mayoría de las nano-fibras son débiles debido a una carencia de estirado durante el proceso de producción, de modo que es común que los tejidos no se fabriquen enteramente con nano-fibras, sino más bien que las nano-fibras sean usadas como revestimiento para impartir funciones deseadas a un tejido básico.
Los tejidos de nano-fibras son altamente deseados en los casos en que los textiles se usan en aplicaciones tales como la filtración de aire y líquidos, en membranas químicas, en catálisis, en la entrega de productos químicos, y en substratos biológicos.
Una de las maneras más deseables para la fabricación de nano-fibras es mejorando las tecnologías comerciales existentes, de modo que se puedan producir una amplia gama de tamaños de fibras — desde micro hasta nano. El meltblown es una de tales tecnologías establecidas, y que es esencial para la industria de los no tejidos.
Los equipos de meltblown producen típicamente fibras hasta la gama de micrones. Sin embargo, máquinas de diseño especial y de molde especial han producido verdaderas nano-fibras en la gama de 300 a 500 nm (M. Hassan et al. Journal of Membrane Science, 2013), con máquinas de meltblown disponibles comercialmente.
La modificación de los procesos tradicionales para llegar hasta el nivel de diámetros de 100 nm ha probado ser un desafío. Por esta razón, se han desarrollado múltiples tecnologías exclusivamente para producir nano-fibras de diámetro pequeño. La electro-hilatura fue la primera de estas técnicas que fueron estudiadas y comercializadas. En este proceso, se usa un gran potencial eléctrico para extraer las fibras de un líquido, típicamente una solución de polímero, para convertirlo en un substrato molido.
Muchas máquinas de electro-hilatura producen solo lotes de nano-fibras, pero también están disponibles en el comercio máquinas que producen de rollo a rollo, siendo la firma Elmarco, de la República Checa, el mayor jugador en este campo. Las nano-fibras se pueden crear también conduciendo una solución de polímero o de polímero derretido a través de un pequeño orificio en rotación a altas velocidades. La rotación crea una gran fuerza centrífuga que lleva las fibras a la escala nano.
La comercialización de esta tecnología ha sucedido rápidamente con máquinas de rollo a rollo ofrecidas ahora por la firma FiberRio Technology Corp., de McAllen, Texas. Xanofi, basada en Raleigh, N.C., es otra compañía que ha expandido sus ofertas de nano-fibras comerciales, y su tecnología depende en fuerzas de corte líquido que estiran pequeñas gotas de una solución de polímero. El corte es creado por dos cilindros concéntricos, uno de los cuales gira a altas velocidades. Las gotitas de solución de polímero son suspendidas en un anti-solvente, lo que extrae el solvente de las gotas de solución a medida que son estiradas por las fuerzas de corte. Esto resulta en la creación de napas grandes de nano-fibras.
La producción de las nano-fibras de polímero de menos de 50 nm no se ha demostrado por técnicas comerciales de producción de nano-fibras. Sin embargo, fibras de este pequeño tamaño se pueden producir ahora fácilmente y han sido estudiadas por científicos de materiales durante dos décadas.
Los nano-tubos de carbono son ampliamente conocidos como fibras de nano-escala que exhiben propiedades mecánicas extremas y una elevada conductividad eléctrica y térmica. Varían en diámetro de 1 a 40 nm, pero la longitud es a menudo solo de micrones y existen típicamente como polvo negro. Recientes avances en el proceso han incrementado dramáticamente la longitud de los tubos, de modo que se pueden convertir en hilos cortados estables y en napas de no tejidos.
Nanocomp Technologies, de Merrimack, N.H., y Teijin Aramid, de Japón, están a la vanguardia del desarrollo y comercialización de estos nano-materiales. Nanocomp Technologies produce hilos cortados de nano-tubo de carbono seco, así como géneros laminados, de manera directa y continua desde sus hornos de producción de nano-tubos de carbono, mientras que Teijin Aramid hila sus fibras de nano-tubo de carbono de alto rendimiento usando una solución.
Tecnología de Fiber Engine FX Forcespinning® por FibeRio Technology se utiliza para producción de nano-fibras.
Fibras nano-modificadas
Aunque la producción de nano-fibras continuará su crecimiento y expandirá las posibilidades para los textiles, su participación en el mercado de fibras seguirá siendo relativamente pequeño en el mundo textil en el futuro cercano. Sin embargo, hay otra oportunidad de crecimiento para la adopción de nanotecnología en la industria textil, a través de la modificación de fibras y tejidos con nano-materiales.
Las aplicaciones para estas modificaciones son numerosas, pero algunos de los usos principales incluyen propiedades antimicrobiales, auto-limpieza fotocatalítica, propiedades ópticas modificadas, mejores propiedades mecánicas, mejor resistencia térmica, calentamiento resistivo, resistencia a la luz ultravioleta, superficies rugosas de escalas múltiples, conductividad eléctrica, y compatibilidad de la célula y entrega de medicinas en aplicaciones biomédicas. Estas modificaciones caen en tres categorías de nano-partículas llenadas, nano-partículas revestidas, y fibras revestidas con una lámina delgada.
Aunque la ciencia de polímeros y el acabado superficial han provisto muchos avances para las fibras y tejidos, algunas necesidades de rendimiento se cubren mejor con la adición de partículas pequeñas — a menudo inorgánicas — a las fibras. La adición de partículas de tamaño micro a los polímeros para la hilatura de fibras a menudo disminuye dramáticamente las propiedades mecánicas de las fibras y puede tapar el empaque de hilatura. La reducción del tamaño de las partículas a la escala nano minimiza estos efectos al mismo tiempo que provee la misma función.
Las nano-partículas se pueden mezclar íntimamente con el polímero de modo que se puedan dispersar a través del espesor de la fibra, o pueden residir en la superficie de la fibra. Las nano-partículas incrustadas dentro de las fibras permanecen firmemente en su lugar y exhibirán buenas propiedades al desgaste. Sin embargo, si la partícula necesita estar cerca de la superficie para contribuir a la función, muchas partículas no participan en el proceso. Esta opción es a menudo la mejor si las fibras se van a usar en confecciones, en donde un desempeño de degradación y la exposición a largo plazo a las nano-partículas es algo no deseable.
Por otra parte, las nano-partículas que residen permanentemente en la superficie de las fibras serán mucho menos durables pero contribuirán a la funcionabilidad de la superficie. Esta configuración es más apropiada para los productos técnicos que tienen poco desgaste durante su uso, o para productos médicos en donde se desea que el cuerpo absorba nano-partículas terapéuticas en la superficie.
Las fibras se pueden revestir también con láminas delgadas de materiales inorgánicos con espesores de nano-escala controlados. Muchas de las técnicas usadas en la industria textil han sido adaptadas de técnicas de deposición desarrolladas en un principio para las industrias micro-electrónica y foto-voltaica. Ejemplos de este revestimiento con lámina delgada incluyen:
- Deposición electroless — usada para conformar fibras de polímero metalizado no conductivo a través de una reducción de sales de metal en solución.
- Chisporroteo — usado para revestir la superficie de tejidos con casi cualquier material inorgánico, incluyendo oro, plata, óxidos de metal y nitruros de metal. Esto se logra a través del bombardeo de un material de meta inorgánico por una descarga de plasma reluciente, lo cual provee un vapor para la subsiguiente deposición.
- Deposición de capa atómica — el estándar usado para los revestimientos inorgánicos de tipo ultra conformes en las superficies, incluyendo en fibras individuales dentro de los hilos y tejidos. El control del espesor a nivel atómico se logra a través de dos reacciones de fase de gas controladas y alternas, en la superficie del material.
- Deposición sol gel — usada para revestir fibras con láminas densas de nano-partículas inorgánicas. La sílica es a menudo el material depositado, y el control de la rugosidad de la partícula de nano-escala ha mostrado que produce tejidos con propiedades super-hidrofóbicas y de auto-limpieza, sin necesidad de usar polímeros fluorinados.
¿Qué sigue después?
Una de las mayores áreas de desarrollos textiles recientes ha sido en textiles inteligentes, en donde los tejidos son integrados con aparatos electrónicos. Las más recientes adiciones en este campo son capaces de recolectar energía del usuario o del medio ambiente, almacenar la energía, y luego accionar los aparatos con esta energía. Sin embargo, todos estos componentes micro-electrónicos están adheridos físicamente al tejido de alguna manera.
Muchas personas en este campo se imaginan futuros textiles inteligentes en donde las fibras mismas contienen los aparatos, haciendo por una función inteligente integrada y uniforme. Gracias a la nanotecnología, porciones de este futuro están comenzando a emerger. Aparatos de una sola fibra se han convertido en un tópico caliente en las revistas de materiales superiores y de nanotecnología.
Unos pocos ejemplos de esto incluyen fibras de super-capacitor estirables y de estado sólido (Y. Meng et al. Advanced Materials, 2013); células solares basadas en fibras (T. Chen et al., Nano Letters, 2012); baterías o pilas de una sola fibra (W. Wang et al. Nano Letters, 2014); y fibras que recolectan energía piezo-eléctrica (M. Lee et al., Advanced Materials, 2012). Estos son sistemas de fibras de múltiples componentes que son solo posible gracias a la ingeniería de la aplicación precisa de los nano-materiales en las fibras. Aunque la producción comercial de estas estructuras todavía se va a demorar un poco, la nanotecnología y los nano-materiales son claramente la fuerza impulsora para el desarrollo de la próxima generación de textiles avanzados y funcionales.
El Dr. Philip Bradford es profesor asistente del Colegio de Textiles, Departamento de Ingeniería Textil, Química y Ciencia de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, en Raleigh, N.C. Su investigación incluye la síntesis de nano-tubos de carbono, la fabricación de tejidos no tejidos usando estos nano-tubos de carbono, y aplicaciones novedosas de estos materiales. Este artículo está basado en una disertación del Dr. Bradford durante el Foro a la Innovación Textile World.
Mayo-Junio de 2015
