estructura química de las fibras

RELACIONES ENTRE LA ESTRUCTURA Q U l M l C A Y LAS PROPIEDADES DE LAS FIBRAS ARTIFICIALES Y SINTETICAS (*)

Dr. ANDR PARISOT Director del Laboratorio Qumico del Instituto Textil de Francia

1. - INTRODUCCION

Antes de iniciar el estudio propiamente dicho de las relaciones entrc la estructura qumica y las propiedades de las fibras artificiales y sintticas, conviene dar algunas definiciones para fijar claramente los lmi- tes del problema.

(Qu entendemos por fibra textil, por estructura qumica y por prU- piedades textiles? La respuesta precisa a estas tres preguntas permite establecer u n plan de estiidio coherente.

1.1. - FIBRA TEXTIL

Las fibras constituyen u n estado morfolgico de la materia caracteri- zado por una muy elevada longitud en relacin con su finura.

Mecnicamente, es posible dar tal forma a la materia, cualquiera cjut. sea su naturaleza. Pero slo en m u y contadas ocasiones se obtiene una substancia con tales cualidades que puedan fabricarse tejidos con butwas propiedades.

As pues, tiene importancia que la Matc,ria posea cierto nmero de propiedades especficas para que, en forma de fibras, presente las cualidades textiles.

El hombre ha sido capaz de elegir, cntrr todas las fibras que 1~ ha proporcionado la naturaleza, todas aquellas que se adaptan mejor a las cualidades textiles. La seleccin natural ha dejado subsistir las fibras tradicionales: Lana, seda, algodn, lino, yute, esparto, etc., que se ajustan muy bien a los empleos a los que el hombre soaba: vestidns, eisos industriales.

(*) Texto de la i contercncias ]>roiiiiiiciadas eri Al>i.il dc 1962 eri la Escucbla Tecnica Siipe- rior

1.2. - ESTRUCTLRA QUIMICA

Cuando ha intentado imitar a la naturaleza, es decir, crear con sus manos y su cerebro materias capaces de sustituir las fibras naturales en sus aplicaciones, ha debido examinar ante todo, lo que l deseaba imitar con medios de observacin cada vez mayores. A cada instrumento corresponde u n estado descriptivo de la estructura, de forma que es in- dispensable, actualmente considerar diferentes estados en el conocimiex- to de la misma, desde la observacin visual de la fibra hasta el conocimiento, por medios indirectos, de la estructura de las molculas de 11 Materia textil.

E n el exmen de u n tejido podemos considerar: a ) - La contextura del tejido, del que interesa la manera en que los

hilos estn dispuestos y que se observa a simple vista o con ayuda de una lupa

b) - La textura de los hilos, que est sometida a los mismos instru- mentos, y que concierne a l modo en que las diferentes fibras estn situa- das para formar el hilo.

c) - La morfologa de las fibras, que implica ya el empleo de una lupa potente o u n microscopio. Esta estructura afecta principalmente a la forma exterior de la fibra (seccin longitudinal y transversal) y puede llegar hasta su estructura superficial.

d) - La macroarquitectura, vista a l microscopio a medio aumento, y que distingue las diferentes partes que integran la constitucin de la fibra misma: capas, clulas, paredes, piel y corazn, etc ...

e) - La mi~roarquitectura fibrilar, que exige el uso de u n microscopio ms potente, o bien u n microscopio electrnico. Es uno de los estados ms importantes. Se presenta en este nivel de la estructura u n nuevo concepto, el de fibriila Segn RIBY, todas las fibras, bien seati naturales o sintticas, presentan u n elemento comn en su constitucin, la fibrilla, que posee una morfologa comparable a la de la fibra; -es decir, una longitud muy grande en relacin a la seccin-, y que, adems, parece presentar, tanto en unas fibras como en otras, una cons- tancia bastante notable de dimensiones.

Si se quiere, puede definirse la fibrilla como el primer ladrillo)) del edificio macromolecular.

f ) - La estructura de la fibiilla, para la que el microscopio electrnico es apenas suficiente para la observacin directa. Nos encontramos aqu en u n punto de transicin donde se hace necesario buscar medios de observacin indirecta y formular hiptesis de trabaqo. A partir de este estado, se pasa ya a l nivel de la molcula, la cual, sa~l~vo contad.ls ocasiones, no es perceptible ms que por los efectos de su magnitud o de@' su forma en ciertos fenmenos fsicos o qumicos. Los mtodos utilizados hacen uso de principios fsicos, fsico-qumico o, a veces, qumicos, en cuyo caso se precisa realizar una interpretacin de los mismos.

g) - La arquitectura macromolecular: Una de las hiptesis bsicas es precisamente relativa a l estado mo-

lecular Durante ms de u n siglo, fu costumbre considerar la materia

textil como formada de molculas clsicas, de pequefia magnitud. Estas, conglomeradas en corpsculos y ligadas entre ellas por fuerzas de atraccin electro-estticas formaban micelas y NAEGELI, desde el siglo pa- sado, haba presentado u n modelo que prevaleci hasta que las concepciones de H. STAUDINGER vinieron a aclarar los fenmenos observados. El concepto micelz se sustituy entonces por el de macromolcula que, en el caso de la materia textil es ya una prefiguracin de la fibra y de la fibrilla. L3 disposicin en el espacio, el orden segn e l cual las macromolculas e s t h organizadas para formar la fibrilla corresponde a este estado de la estructura, tributario de medios fsicos de exmen tales como la espectrografa X, o la espectrografa infra-roja.

h) - Estructura rnacrornolcular: se trata aqu de cmo estn cons- trudas las macromolculas propiamente dichas, del conocimiento, en particular, de lo que se puede llamar su morfologa. Adems de la espectrografa X, se usan en este terreno todos los medios fsico-qumicos tales como la osmometra, la viscosimetrd, la difusin disimtrica de la luz, la birefringencia de derrame, etc ..., o qumicos tales como la dosi- ficacin de los grupos terminales.

Es menester, cada vez ms, usar las hiptesis de trabajo como medio de introspeccin, lo que explica que los resultados dados por uno u otro mtodo puedan divergir considerablemerite.

i ) - Composicin qumica: es el ltimo estado de la estructura, donde se ve cmo los tomos constituyen la macromolcula. Entran en

De la obacroxolcule au Tic?-; 1 .&.cromol6cule e t motif

11 R6seaii c r i s t a l l i n 111 Etat somi-cristall in IV Etat f i b r i l l a i r e e t f ibri l lo: ,

TABLEAU 1

juego mtodos clsicos de anlisis qumico o nuevos mtodos de anlisis inmediato, entre los cuales conviene sobre todo citar la cromatografa, la electrotrofresis o la espectrografa de masa.

Estos diversos estados de lo que se llama la estructura textil se pueden resumir en la siguiente tabla sinptica, en la cual figuran los prirl- cipales niveles de estructura con los mtodos de estudio empleados y t>I orden de aumento de los elementos observados.

1.3. - Propiedades textiles. - Estas constituyen u n tercer interrogante.

De entre todas las propiedades presentadas por la Materia, segn su estructura, algunas son especficas de los resiiltados que se pueden espe- rar de esta Materia en sus empleos determinados.

Una fibra textil debe presentar u n conjunto de cualidades o de caractersticas mecnicas, fsicas y qumicas tales que hagan posible la reunin de las fibras en hilos, y la de stos en tejidos (o gnero de pun- to) susceptibles de ser teidos

La naturaleza de lCls fibras y s u disposicin confieren a l articulo ac,i- bado cierto nmero de propiedades tiles o indispensables segn el Lista a l cual se destine el artculo.

Algunas de estas propiedades son generales y se cncuentran en todos los tipos de fibras, con casi igual intensidad. Tales son, por ejemplo, Iss propiedades mecdnicas como la resistencia a 1.a traccin, la visco-elasticidad, la resistencia a la torsin, a la flexin, etc.

Otras, a l contrario, son especificas del uso particular a l cual est des- tinado el artculo, La hidrofilidad, por ejemplo, es una cualidad buscada en el caso de paos dc cocina, pero evitada en los impermeables.

Para u n tejido esprcialmente drstinado para vestir, se distinguen, cn general, dos grandes clases de propiedades:

1. - las propiedades objetivas. que son mensurables e independiern- tes del observador (Propiedades mecnicas; reprise, etc. ).

2. - las propiedades subjetivas, de carcter ms abstracto, y en las cuales interviene mucho la opinin del observador. Tales son, por ejemplo, la cada, el tacto, el brillo, la calidad, etc

Se concibe intuitivamente quc cada calidad de u n artculo dado esta ligada no a una nica propiedad d r la materia textil, sino que depende de u n conjunto de propiedades o de caractersticas miir estrechamrnte ligadas unas con otras

Esta observacin adquiere todo su valor en el caso de las propiedades subjetivas, y es fcilmente rxplicable por e1 hecho de la divisin en extremo y gran heterogeneidad de la materia textil.

Toda propiedad, cualquiera que sea, no es ms que la resultantt. del: conjunto de cualidades particulares de cada fibra.

Estudiar las relaciones entre estructuras y propiedades textiles es, segn las difiniciones precedentes, u n problema complejo del cual es pre- ciso intentar definir las lneas de fuerza esenciales.

Este problema se divide, desde e l punto de partida e n una infinidad de pequeos problemas particulares, ya que cada propiedad individual debe ser estudiada en funcin de la estructura en cada estado, luego con relacin a los otros estados de la estructura y tambin con relacin a algunas otras propiedades.

Otra causa de dificultades es consecuencia de no saber medir las propiedades de motivacin E n principio, la medida estri basada en la definicin misma de la propiedad, y el modo operatorio deriva de esta definicin. Cuando esta ltima es precisa, el problema se simplifica, pero esto ocurre raramente. La mayora de las veces, se debe definir la propiedad considerada, en relacin a u n complejo conjunto de factores exi- giendo cada uno u n estrecho intervalo de variacin. Una resistencia a la traccin, por ejemplo, debe definirse en funcin de la velocidad de aplicacin de las fuerzas de traccin y del tiempo durante el cuatl son aplicadas; por otra parte, la medida debe ser efectuada en condiciones de- finidas de temperatura y de composicin de la atmsfera ambiente. Aho- ra bien, el mtodo general seguido para efectuar tal gnero de ensayos consiste en comparar los valores respectivos de una misma ~ r o p i e d a d para materias de estructura conocida, pero diferente de una materia d otra; o bien a la inversa, y en el caso de una materia de origen natural, explicar los valores diferentes de una misma ~ r o p i e d a d poniendo e n evidencia las diferencias de estructura. De esta forma, por ejemplo, se explicar el comportamiento mecnico ligeramente diferente de diversos tipos de fibras de algodn segn el valor del ngulo de inclinacin de les fibrillas de celulosa de las capas secundarias con relacin a l eje de la fibra

Por otra parte, se podr perfeccionar este mtodo de estudio llevando a la materia sinttica las conclusiones obtenidas en e l estudio de la materia natural y recpi-ocamente Hay, a este respecto, una ancdota muy sugestiva: en 1933, los japoneses HORIO y KOKDO, estudiando la estructura de una propiedad particular de fibras de viscosa rizadas -a consecuencia se dice, de u n incidente de fabricacin- reconocieron que la seccin transversal de las fibras mostraba una disposicin muy curiosa de la piel y del corazn. Mientras que en las fibras clsicas, la piel;> envuelve completamente el corazn, en las fibras rizadas, las dos partes estaban dispuestas a uno y otro lado, de una superficie de separacici, dando lugar a una cierta asimetra de estr~ictura. Los dos investigadores japoneses se preguntaron cntonces si haba correlacin entre esta' asimetra de estructura y el rizado natural de las fibras e investigaron si las fibras naturales rizadas presentaran tal fenmeno. Estudiaron la lana y probaron, por tintura diferencial, que la capa externa de las fibras de lana Merino estaba formada por dos tipos de clulas con propiedades fsicas diferentes que daban a la fibra una estructura denominada Dila- minar)).

Se conoce el resultado de este gran descubrimiento y la repercusin que h a tenido en la ciencia lanera as como en el progreso de las fibras qumicas, tanto artificiales como sintticas.

As pues, practicando el mayor nmero posible de comparaciones, in- vestigando el mximo de analogas y de diferencias tanto en la estructura como en las propiedades textiles especficas puede esperarse apor- tar alguna luz sobre estas complejas relaciones.

Y para establecer estas comparaciones, conviene en primer lugar establecer unas clasificaciones. Para que stas sean expresivas hay que es- coger juiciosamente los criterios de clasificacin. Si se quiere, por ejemplo, hacer una enumeracin de todos los elementos qumicos, el orden alfabtico es til, pero no ensea ms que su nmero, eventualmente. Por e l contrario, si se las coloca por orden creciente de masas a'tmicas agrupndolas por propiedades qumicas caracteristicas, se obtienen unas tabl'as como la de MENDELEIEFF, de las que no es necesario subrayar su importancia.

E n esto es en lo que constantemente nos esforzamos. De antemano, daremos una tabla de criterios comparativos a estudia'r, que escogeremos de entre las principales propiedades textiles. 1.1. - E n definitiva, el plan que vamos a seguir es el siguiente:

1.9 -Enumeracin de las fibras textiles segn su composicin qumica.

2.9 -Descripcin de las propiedades que confieren a la materia las caractersticas textiles.

3 . 9 - La molcula textil. 4.Q) - La estructura macromolecular y el estado fibrilar. 5.9 -Las relaciones entre la arquitectura fibrilar y las propie-

dades textiles de las fibras. 6.9 -Propiedades intrnsecas de las fibras. 7 . 9 -Influencia de la morfologa de los conjuntos de fibras so-

bre las propiedades textiles. 8.9 -Resmenes relativos a la influencia de la elaboracin de

los tejidos sobre sus propiedades.

2. - ENUMERACION DE LAS FIBRAS TEXTILES SEGUN S U COMPOSICION QUIMICA.

2.1. - Los cuatro tipos de fibras.

Por orden cronolgico, el hombre conoci primeramente las fibras naturales, que utiliz bien directamente (lana, pelo, algodn) o despus de haberlas extrado (fibras duras, lino, seda, etc ...).

Mas adelante, concibi la idea de imitar a la Naturaleza y de fabricar por si mismo sus propias fibras. Empez, en primer lugar, por utilizar materias que la Naturaleza le ofreca bajo una forma distinta, y la's transform en fibras mediante ciertos artificios. Fueron las fibras artificiales, cuya composicin qumica se acercaba, por espritu de lgica, a la de las fibras naturales. Siendo la palabra artificial demasiado pe- yorativa fu abandonada y actualmente se conocen bajo el nombre de

fibras qumicas o fibras regeneradas. Las principales materias de transformacin utilizadas son -o han sido, puesto que algunas han des- aparecido provisionalmente- la celulosa, las protenas animales o veg-2- tales y algunas materias raras tales como e l cido algnico extrado de las algas ... Estas materias son transformadas qumicamente para hacer- las solubles o dispersables en soluciones acuosas u orgnicas, luego es- tiradas en fibras por extrusin de la solucin concentrada a travs de una hilera y a l f in solidificadas en forma de hilo, bien por regeneracin de la mcvteria original (por ejemplo, celulosa regenerada d,e la viscosa; protenas doblemente precipitadas), o por .eliminacin del dispersante o disolvente, (por ej.: nitrato de celulosa; di-o tricetato de celulosa).

Este primer xito tuvo una consecuencia que resulta actualmente m u y importante: permite establecer una relacin cierta entre las propiedades textiles de las fibras y su estructura molecul~ar ta l como se co- noca entonces. Los trabajos sobre la celulosa y la hiptesis de HA- WORTH, las concepciones de H. STAUDINGER sobre la macromolcula, e l xito parcial de E. FISCHER en la sntesis de las protenas a par- t i r de los aminocidos condujeron a los investigadores, hacia 1920/1930; a intentar crear de todo objeto unas substancias que, bajo la forma de fibras, gozaran de las propiedades de las materias naturales. As nacie- ron las fibras sintticas. Se conoce su expansin arrolladora desde e l final de la segunda guerra mundial, expansin que parece no detenerse.

Desde entonces, los trabajos sobre la investigacin de las relaciones estructura/propiedades se multiplicaron, facilitados por la verificacin libre de l'as hiptesis formuladas, gracias a la fabricacin de substancias- tipo.

Las cuatlidades particulares de las fibras sintticas, e n ciertos empleos poco corrientes, incitaron a los consumidores de las fibras empleadas hasta entonces, a intentar corregir algunos de !os defectos que muestran por medio de la sntesis -o en algunos casos, a conferirles las nuevas propiedades de las fibras sintticas-. Por esto han aparecido desde hace algunos aos, una nueva clase de fibra que hemos llamado fibras qumico- naturales y que, a l mismo tiempo que guardan la arquitectura especial de las fibras naturales, tienen una composicin qumica modificada que las acerca a las fibras sintticas. A este tipo corresponden e l algodn cianoetilado y e l algodn parcialmente acetilado.

Paralelamente, y como quiera que la competencia es, en este caso, sinnimo de emulacin, se emprendieron trabajos idnticos para intentar modificar la arquitectura de las fibras artificiales y sintticas clsicas, al objeto de aproximarla a la de las fibras naturales. E n los dos ltimos casos, no se trat de obtener el resultado investigado por los aprestos textiles, sino de llevar a cabo una modificacin de uno u otro de los puntos de la estructura de las fibras que hemos definido anteriormente. 2.2. - E n la actualidad se pueden clasificar las fibras textiles conocidas segn el esquema siguiente.

1 NATURELLES

Poiymerer NAl'E. Fibrege r N A m

Cel lu loe Protein.

Coton Laine

eto... etc. .

F I BRES

Fibrege i SWTH.

2.2.1. - Definicin de los diferentes tipos de causas.

El criterio de clasificacin es aqu lci causa de polimerizacin, dt. la cual volveremos a hablar; pero de la que se sabe que es la mdula de la constitucin de la macomolcula. Es en efecto, el grupo de tomos cuya reproduccin por yuxtaposicin en el espacio da la macromolcula.

A este respecto, hay qiie hacer una advertencia; a veces es difcil discernir cul es la verdadera causa de p~l ime~izacin, es decir la que, en la molcula existente, se reproduce idnticamente por s misma.

E n el caso de la celulosa, por ejemplo, se admite que la macromolcula est formada por enlaces de ncleos 1 4 anhidro-glucopiranosa:

ya que la hidrlisis cida libera casi exclusivamente glucosa. De hecho, l a verdadera causa sera la celobisa:

Este escllieiiia ser coiiij>lelado eii e l prOximo iiiiiiicro del Boleliii coi1 otros (lue iticliii- rAn los iiomhres coinerciales, propiedades Fisicas g qiiiniicas, etc

Por otra parte, las protenas (de la lana) estn formadas de poliamidas derivadas de a-aminocidos.

H2N - CH - COOH

R

Los 20 aminocidos constitutivos que. difieren por la naturaleza del radical R y por la estreoqumica del tomo de carbono asimtrico, se poli- condensan en cadenas como:

- HN - CH - CO NH - CH - CONH - CH - I I R1 R2 R3

donde los radicales R,, R2, R,, etc ... se suceden segn una distribucin todava no conocida. Se admite pues, en este caso, que la causa est formada por el enlace de tomos:

Es ms fcil definir tericamente el motivo en los polmeros sintticos, sobre todo en los polmeros de policondensacin o de poliadicin. E l origen de la poliamida 6-6 ser:

e l de la poliamida 6:

e l del politereftalato d,e glicol:

En el caso de los polmeros de poliadicin el verdadero motivo es tambin conocido tericamente, sobre el papel, pero en la prctica, es frecuentemente poco conocido, sobre todo en el caso de los polmeros iso- o sindiotcticos, donde solamente la espectrografa X permite percibir la esteroqumica exacta.

2.2.2. - Aduertencias:

La clasificacin de las fibras por su constitucin qumica permite unas conclusiones en extremo importantes. Desgraciadamente, stas pueden ser modificadas, algunas veces de manera radical, cuando se estudian, no las substancias puras -o consideradas como tales- del Laboratorio, sino los productos industriales.

En efecto, en este caso, las propiedades de las fibras pueden ser modificadas por la presencia de impurezas, es decir de substancias, en pc- queas proporciones, aadidas a propsito, o procedentes de diversas causas acciden-tales. Tenemos, en primer lugar, las impurezas de cuerpos in- termedios de la sntesis o que aparecen junto a sta; a continuacin unos cuerpos aadidos para bloquear las reacciones de poliadicin o de policondensacin; a veces, cargas diversas destinadas a modificar bien sea el aspecto general de la fibra (deslustradores, por ejemplo) o a aumentar la resistencia qumica del polmero frente a ciertos agentes (xidos met- licos para combatir las degradaciones fotoqumicas), bien para permitir identificar u n producto de marca; y por ltimo, cuerpos adicionales que proceden del medio exterior en el momento de las operaciones de acd- bado (aceites de ensimaje, disolventes, agentes precipitantes, etc ...).

Estas diversas impurezas hacen que fibras de la misma clase, podrn diferir, en razn de su origen terico, en sus propiedades segn se con- sidere su marca comercial, o tambin para una misma marca, su partida de fabricacin.

Se concibe as toda la dificultad del problema y la necesidad de pro- ceder mediante grandes analogas

3. - DESCRIPCION DE LAS PROPIEDADES QUE CONFIEREN A LA MATERIA LAS CARACTERISTICAS TEXTILES.

Deben considerarse estas propiedades segn dos criterios: - las que son necesarias, e indispensables, para que la fibra sea tex-

til. -- las que hay que investigar para que la fibra sea una buena fi-

bra textil. Si las primeras son de orden cientfico, las segundas son ms bien de

orden tecnolgico y slo se investigarn cuand:, las primeras hayan sido conferidas a la materia fibrosa.

3 1. - Propiedades necesarias para que una fbra sea textil.

Conociendo la contextura de los artculos textiles, las propiedades que debe mostrar una fibra para ser calificada de textil son ante todo propiedades mecnicas. Es necesario que la fibra pueda soportar los esfuerzos de estiraje, de flexin, de torsin, de corte, que le sern aplicadas, sin que se rompa.

3.1.1. - Comportamiento de las fibras sometidas a una traccin rectilnea.

Esta deformacin de la fibra est rrpresentada por la curva carga/ alargamiento que indica como vara la longitud de la fibra, cuando se le aplica una fuerza creciente a una de sus extremidades, permanecien- do la otra fija (fig 1) .

Se tiene la costumbre de representar en las abscisas los porcentajes 100 . n 1

de alargamiento de la probeta, es decir -- representando 1 la lori- 1

gitud inicial de la probeta y 1 su aumento de longitud. En las ordenadas se puede, o bien representar las fuerzds de traccin (en gp, por ejemplo)) (Curva 1) o representar estas mismas reducidas a la unidad de superficie del corte de la fibra (en kgp por mrn2). (Curva 11) (fig. 2). Esta segunda curva debe ser, en principio, calculada, pues el corte de la fibra disminuye constantemente a medida que se estira. Esta precaucin es a menudo descuidada, y muy frecuentemente se expresan las fuerzas de traccin relacionndolas con la unidad de finura (en gp por denier) o (en gp por tex).

En algunas excepciones de las cuales volveremos a hablar, la curva de traccin representativa es raras veces una recta. A menudo se tiene una curva de forma variable, como consecuencia de que el comportamiento mecnico de la fibra no sea del todo elstico (fig. 3 ) .

Una caracterstica importante es la pendiente de la curva en su origen (tangente del ngulo a ) , que se expresa por el valor terico de la

- 75 -

Ailongement e l a rupture (en mox)

! I

1 - Laice 2 - Coton

l

l 3 - Sole 4 - Nylon 5 - Terylene 6 - 0,rlon I 7 - Polythene 8 - RhovyL 9 - Viscose

i 17 - Acrtate 18 - Vicara 19 - Verre i

I i I I I I I I I I IDO F 10 15 :o *S 30 3r 40 45 50

Viscose nioyenne Acet i te Vicara

, Laine Soie Coton

Verre

carga c o r r e s p o n d i e n t e a l 100 % de a l a r g a m i e n t o si la c u r v a p e r m a n c - .cierra recta desde e l p r i n c i p i o :

De esta m a n e r a s e t i e n e el m d u l o de e l , a s t i c i d a d , d e t e r m i n a d o p o r e x t r a p o l a c i n y e x p r e s a d o en f u e r z a p o r mm2.

2,5 a 3 1 ,3 a l s50 ,8 191 a l 2

1,2a1,7 2,8a5,0

2 + 6 6 7

1 ,5 a198 a l 9 2

i a i ? 6 Zr4a 4 4 a 8 5 9 5

35 a 4 2 15 a ?e 1 2 a 14 14 a 20 31 a 56 2 6 a 8 0

125/158 =r.========;;===;;c=c=i===-=-=;======:==="='=EF='=====iF.===========G~============

21 a 2 5 995a16

12 a 19 27 a 45 5 6 a 1 6 1

125

9 a 2 0 23 a 30 30 a 35 30 a 50 13 a 20

3 a 7 2 a 4.

14 a 35 30 a 40 30 a 40 30 a 60

1 a 3

chsrs

, z%k- Ch de - - - -/- rupture

/' = I 1 I I / I I

/ 1 fllg=% ! I , fikt

o Ailgt nipturelw de O loolb C

Fig. 2 Fig. 3

U n comportamiento perfectamente elstico de la materia se tradujo entonces por dos hechos simultneos.

a ) -el mdulo de elasticidad es invariable durante todo e l tiempo de traccin.

b) -la curva de recuperacin que expresa la fuerza de traccin en funcin del alargamiento cuando se relaja esta traccin, se con- funde con la curva de traccin.

U n comportamiento tal, es el de u n filamento de caucho por debajo del limite de elasticidad. Es u n caso extremo, representado en la prctica solo por las fibras de vidrio.

Generalmente, la curva de relajacin no sigue la curva de traccin. Al interrumpir la traccin sobre la fibra antes de la rotura, se observan dos casos principales de comportamiento (figs. 4 y 5) i : : f

A I I ~ ~ A I / ~ ) , -

O 0 . L Y tr= Fig. 4 Fig. 5 Fig. 6

En el primero, existe una histresis, pero a l anularse la traccin, la fibra vuelve a adquirir su longitud inicial (fig. 4) . Se tiene entonces un proceso de comportamiento compl~etarnente elstico)).

E n el segundo caso la fibra estirada hasta u n alargamiento de x % recupera instantneamente una parte xy de su alargamiento inicial (re-

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cuperacin elstica instantnea) cuando la fuerza de traccin se vuelve de nuevo nula, despus, ms lentamente, una segunda parte yz de este alargamiento (recuperacin elstica retardada), para dejar subsistir una cierta cantidad oz de alargamiento que no ser ya recuperada s i la fibra permanece en las mismas condiciones (Alargamiento permanente), (fig. 5).

E l estudio terico de estos diferentes casos ha sido hecho utilizando modelos mecnicos, ms o menos complicados, usando diferentes com- binaciones de resortes y de pistones ranurados en cilindros llenos de 1- quidos viscosos, de los que el ms simple est representado por la fig. 6.

Estos trabajos han permitido demostrar que el comportamiento mecnico de la mayora de las fibras textiles es del tipo viscoso-elstico y numerosas teoras han sido elaboradas paia explicar c s ~ e compartdmieri- to. No es nuestro propsito criticar estas teoras diversas Consideremos de ellas, solamente, que ciertos elementos de la estructura se deforman de una forma puramente elstica, mientras que otros lo hacen de unc] manera puramente plstica Correspondiendo la combinacin de ambos a la nocin de visto-elasticidad))

Las proporciones relativas de recuperacin elstica instantnea)), dc ((recuperacin elstica retardada y de alargamiento permanente difieren, para una misma fibra, segn el valor de alargamiento inicial con el cual* se haya procedido. Difieren igualmente segn las diferentes fibras. U n trabajo precursor muy importante fu el realizado por SUSICH \r BACKER (Tensile Recovery Behavior of Textile Fibers) para determinar, sobre u n gran nmero de tipos de fibras, las proporciones citadas de los tres tipos de recuperacin a l alargamiento inicial en funcin del porcentaje de alargamiento inicial. Los resultados se representan por diagramas tales como los de la fig. 7, que corresponden, por ejemplo, a l comportamiento de la seda.

Fig 7

a ) - si se impone una carga de 34 g/tex, se recupera instantneamente el 50 % de la deformacin, luego lentamente alrededor del 30 % y queda u n 20 % permanente.

b) - si se estira a l 10 % de la longitud inicial. se recupera instantneamente el 40 % del alargamiento inicial, luego lentamente se recupera otro 40 0/, y queda u n 20 % de deformacin permanente.

Hemos elegido a propsito la seda como ejemplo, porque desde u n principio, esta fibra fu escogida como modelo de comportamiento mecnico para las nuevas fibras sintticas. Ms tarde, este modelo pas a ser la lana para todo lo relativo a los tejidos para vestir.

La seda fu escogida acertadamente. Esta fibra, que haba conquis- tado u n lugar preponderante en la seleccin natural, presenta sin duda alguna, u n cierto nmero de pequeos defectos, pero satisface por su comportamiento general las aspiraciones de una mayora de consumidores. de tal manera que los criterios de este comportamiento pueden con- servarse en justicia para caracterizar lo que hemos llamado una buena fibra textil. Por otra parte es conveniente resaltar que las fibras sintticas que son universalmente reconocidas como las ms valiosas: las poliamidas, los polisteres del tipo Terylene, y los poliacrilonitrilos, tienen u n comportamiento mecnico muy parecido a l de la seda. No tienen los mismos defectos; por el contrario, tienen otros

Aparte de este comportamiento dinamomtrico de extensin lenta, se tiene en cuenta otro tipo de comportamiento, importante para ciertos usos. Es el comportamiento bajo fuerzas brutales, es decir, ejercidas a gran intensidad durante u n perodo de tiempo muy corto (caractersticas de shock). Los trabajos a este respecto, son an parciales e iri- completos y las teoras inconsistentes.

b: M"- -- F l -t T I I I nrrct %

9 ' - X h

Fig. 8 Fig. 9 - 79 -

En un orden de ideas similar, el comportamiento mecnico bajo un2 extensin fija y limitada, pero durante un tiempo prolongado, ha sido tambin objeto de trabajos muy importantes. Es una propiedad de gran importancia, que pone en evidencia las capacidades de fluencia de las fibras. Se debe tener en cuenta, en efecto, que las fibras estn sometidas a estas condiciones en los tejidos.

3.3.2. - Adems del comportamiento de las fibras bajo los esfuerzos de traccin rectilnea, hay que considerar su comportamiento cuando las fuerzas aplicadas no tienen una direccin comn, sino por el contrario, son paralelas.

Para volver a su forma y a su posicin definitiva en el hilo, y ms tarde en el tejido, las fibras son sometidas a pares de flexin, de torsin o de corte (fig. 8). As pues, es necesario definir su comporttamiento baio estos diferentes tipos de esfuerzo, cosa que ya ha sido hecha por varios autores. Podemos formarnos una idea con slo analizar la curva carga/ alargamiento. En efecto, podemos ver en los esquemas de las figuras 8 y 9 que la aplicacin de un sistema de fuerzas a una fibra se traducir por la deformacin de sta, en tal forma que ciertos elementos de la estr~ictura se desplazarn con relacin a otros. Las partes deformadas de la fibra estarn en un estado de alargamiento relativo en relacin a las partes no deformadas. Este alargamiento relativo corresponder en la curva carga/alargamiento, a un punto particular m del eje de las abscisas,

Fig. 10

y a un trabajo de deformacin correspondiente a la integral de esta curva entre O y el punto de abscisas (rea de la superficie sombreada de la fig. 10).

Diferentes tipos de esfuerzos a los cuales estl sometida una fibra. TRACCIOK.

Algunos elementos son atrados e n una direccin, otros, en otra, siendo la direccin del esfuerzo paralela al eje de la fibra.

FLEXION. Los esfuerzos constituyen un sistema de fuerzas paralelas y de sen-

tido contrario aplicadas en una direccin perpendicular ad eje de la fi-

bra. Segn e l valor del radio de curvatura, la deformacin es variable. Durante esta deformacin, lus elementos exteriores de la curvatura es- t n sometidos a esfuerzos de traccin en relacin a los situados sobre e l eje mientras que los interiores a la curvatura estn sometidos a esfuerzos de compresin.

TORSION. Unos pares son aplicados a las dos extremidades de la fibra ortogo-

nalmente a su eje, y en sentido contrario. Los elementos situados sobre una generatriz del cilindro son alargados con relacin a los que estn situados sobre e l eje.

CORTE.

cor te lransversal,

Corte longitudinal.

U n par se aplica o bien perpendicularmente a l eje (corte transversal); o bien paralelamente a l eje (corte longitudinal). Los elementos eri- tre los puntos de aplicacin de las fuerzas se alargan tanto como los puntos de aplicacin se desplacen uno con relacin a l otro.

E l trabajo que las partes deformadas de la fibra podrn an realizar antes de la rotura est explicada por el rea mMXx.

Este razonamiento es desgraciadamente solo cualitativo, y en la prctica se limita a determinar diferentes aarmetros tales como el mdulo de flexibilidad, la rigidez de torsin, etc ... Pero permite sostener ciertos razonamientos con tendencia a asociar el comportamiento de los tejidos y las propiedades mecnicas de las fibras que los constituyen, Puede, por ejemplo, permitir explicar lo que e l tacto de u n tejido y cmo los diferentes elementos de la curva carga/alargamiento pueden intervenir en esta propiedad tan particular.

En fin, este razonamiento es perfectamente aplicable a u n hilo y a u n tejido, teniendo en cuenta dos observaciones.

, ,

La primera consiste en precisar que, entre los elementos de esta curva carga/alargamiento, algunos tienen u n carcter adicional, teniendo otros u n carcter invariable, cuando se considera que los esfuerzos mecnicos son aplicados no slo a una fibra, sino a u n conjunto de fibras (fig. 8).

Sean dos fibras idnticas sujetas a una mordaza fija F de u n dinammetro, con sus extremos mviles A y B ligados a l desplazamiento de la mordaza mvil del dinammetro.

Si se determina la curva cargalalargamiento del sistema resultante de las dos fibras paralelas, se notar que:

1.9 - la carga de rotura del sistema es e l duplo de la carga de rotura de una fibra: xX' = 2.xX

2.9 - el alargamiento a la rotura del sistema es el mismo que el de una sola fibra.

Si en este punto se impone una deformacin idntica a cada fibra (aqu: una flexin a 180, de seccin de curva r ) , se puede admitir, e n primera aproximacin, que para adquirir esta nueva posicin, las partes exteriores de la curvatura se alargarn en relacin a las partes interiores. La deformacin gradual a medida que se va del interior hacia e l

100 d exterior alcanza u n mximo de alargamiento relativo igual a -

r

para las partes ms externas, pero se puede admitir que para el conjunto de la fibra a este respecto, la deformacin media equiva1,e a u n alargamiento && igual para las dos fibras.

Si se efecta una traccin sobre una fibra, la carga de rotura que se vaya entonces a medir ser menor. De hecho, la energa de rotura con la que se habr de trabajar corresponder a l rea mMXn, con u n nue-

-

vo alargamiento de rotura igual a mx. con-dos fibras se comprobar de nuevo que, si la carga de rotura me-

dida se ha vuelto doble, el alargamiento a la rotura del sistema es el mismo, que para una fibra.

La segunda observacin se relaciona con el hecho de que u n tejido es u n conjunto bastante regular de fibras que se obtiene repitiendo una y otra vez las mismas operaciones. A partir de u n tejido absolutamente homogneo en su contextura desde el nivel fibra, se desemboca en una concepcin diferencial, segn la cual, si se sigue una direccin dada en el plano del tejido (o en u n plano paralelo), se encontrar en cada hilo, siempre la misma porcin de una fibra, que se deformar de !a misma manera. Esta porcin de fibra soportar, pues, una fraccin del esfuerzo impuesto a l tejido que corresponder a l esfuerzo total dividido por el nmero de los elementos diferenciaIes afectados por este elemento.

Se podr entonces representar el comportamiento del conjunto de los conjuntos de los elementos homlogos del tejido mediante u n diagrama anlogo a la curva carga/alargamiento de una fibra; para lo cual se lleva a l eje de las abcisas la cantidad relativa de deformacin, que es invariable y a las ordenadas, la carga resultante de todos los vectores aplicadas a los elementos diferenciales idnticos (fig. 9).

3.3.3. - Principio general.

Este razonamiento, ms fcil de comprender que de explicar, corresponde a una nocin general muy importante en lo que respecta a las relaciones entre estructura y propiedades mecnicas:

En orden decreciente desde la estructura del tejido a la ,de la macromolcula, el comportamiento mecnico de u n elemento de la estructura dependenr:

"l." - de las propiedades intrnsecas de los elementos que perte- necen a l nivel inmediatamente inferior.

"2.9 - de la organizacin geomtrica de estos elementos, unos en relacin con otros.

Las propiedades del tejido dependen de las propiedades intrnsecas de los hilos que lo constituyen y de la contextura que define la forma de disposicin de los hilos entre ellos.

Las propiedades de una fibra son la resultante de las propiedades de sus elementos de la macroarquitectura (capas, paredes, clulas) y de la construccin geomtrica de esta macroarquitectura.

Y as, hasta la macromolcul~a, para la cual, como ya veremos, las propiedades dependen de las del origen y organizacin geomtrica de las causas a lo largo de la macromolcula.

3.2. -- Propiedades de calidad de las fibras textiles. 3.2.1. - Modo de utilizarlas y calidades textiles desde el punto de

vista propiedades mecnicas.

Las prapiedades de calidad son las que la fibra debe presentar para que e l tejido sea capaz de asumir lo mejor posible el uso a l cual se destina.

Pueden corresponder desde u n principio a unos valores especficos de las propiedades que acabamos de ver. Por ejemplo, algunos empleos re- quieren fibras de alto mdulo inicial, otras, por el contrario, u n mdulo ms bajo, con u n abargamiento de rotura mayor. Si nos referimos a las propiedades de las fibras naturales, es evidente que la lana, seda, algodn, lino, camo, tienen especialsimos destinos, a n ms sobresalientes si nos colocamos en el terreno industrial. Resulta difcil pensar hacer una cuerda de lana, o de algodn.

Lo mismo para fibras relativamente prximas como el lino y el algodn, la experiencia -y la teora- demuestran que, en los empleos clsicos de estas dos fibras, como la lencera, e l uso a que estn destinadas debe regular la eleccin del tipo de fibra a utilizar. La fibra de lino, de carga de rotura elevada pero de alargamiento pequeo a la rotura se utilizar preferentemente para los artculos que se alabeen a la extensin o a l reventamiento, pero sin plegado, mientras que e l algodn, go- zando de u n alargamiento a la rotura ms elevado -quedando aceptable la carga de rotura- ser utilizado para artculos frecuentemente sometidos a repetidos plegados. No se puede decir que una de estas fibras es superior a la otra, pues esto depende nicamente del punto de vista que se observe.

E n trajes y vestidos, se tendr en cuenta en gran escala, el auto- d,esarrugado que va muy unido a la recuperacin elstica retardada de la fibra.

3.2.1.1. - Influencia del calor. Por iiltimo, siempre desde el punto de vista de las propiedades me-

cnicas, ser a veces necesario, para juzgar el valor de empleo de la fi-

bra, tener en cuenta la variacin de la curva carga/alargamierito cn furi- cin de la temperatura. El rayn de alta tenacidad (rayn H. T.) puede ser usado en la cubierta de los neumticos, pues mantiene intactas sus propiedades a temperaturas de 130-140" a las que se hallan sometidas cuando e l neumtico trabaja.

3.2.1.2. - Influencia del agua. Dentro del mismo orden de ideas, nos esforzamos a menudo en con-

siderar la accin del agua sobre las propiedades mecnicas. No hay que sealar aqu la importancia del agua, siendo considerable el nmero de trabajos que ha suscitado.

Su accin se ejerce en diversos campos y bajo formas diferenta Frente a las propiedades mecnicas, el agua juega u n papel de plas-

tificante, tanto ms marcado por cuanto penetra mejor y en mayor cantidad en la estructura de las fibras. Salvo en el caso de las fibras naturales de celulosa( caso muy particular, puesto que slo estas fibras tienen una carga dle rotura ms elevada en estado hmedo que en su estado seco, el agua obra como plastificante disminuyendo el mdulo inicial y la carga de rotura y aumentando el alargamiento a la rotura. No obstante, esta influencia puede variar segn el grado de polimerizacin y las variaciones de estructura a los diferentes niveles.

Esta accin es adems muy compleja y vara notablemente si se considera el agua en estado de vapor o en estado lquido. Deberemos, pues, estudiar la influencia del agua en todos los estados de la estructura, pues en cada uno de ellos, el papel del agua ser diferente segn el estado en e l cual se encuentre: dentro de la escala macromolecular, el agua actuar basada en !os fenmenos de recuperacin de humedad; e n :a la escala fibrilar, el agua actuar tanto bajo forma de vapor, como bajo forma lquida -o condensada-. E n la escala fibra, el agua intervendr8. como en el estado vapor, sobre la estructura superficial de las fibras para modificar su resistencia superficial a los frotamiento o bien intervendr -n estado lquido por las acciones capilares.

La capacidad de absorcin del agua bajo diferentes estados no actiia slo sobre las propiedades mecnicas. Otras cualidades textiles entran en juego y, como en otros terrenos, la absorcin del agua tendr una importancia variable segn las propiedades de empleo del artculo.

As, la fijacin del agua a l estado de vapor en las partes hidrfilas de la estructura qumica se hace mediante cambios trmicos que juegan u n importante papel en las cualidades de confort de los tejidos. El calor desprendido por la formacin de una interaccin hidrgeno entre una molcula de agua y una parte hidrfila regula el calor de hurncc- tacin.

Por el contrario, la capacidad de absorcin del agua y la facilidad de retencin de la misma, ser una cualidad o u n defecto segUn el uso del artcuIo: cualidad en el caso de una toalla (o de una arpillera), ze transforma en defecto si se considera el lavado o limpieza de los artculos (rapidez de secado).

Frente a unas propiedades elctricas, el agua ejercer tambin u n doble juego: benfico cuando su presencia disminuya los fenmenos de electrizacin; perjudiciales cuando se consideren las cualidades die- lctricas en los aislantes.

Por ltimo, la penetracin del agua en los tejidos o en las fibras ser importante en numerosas operaciones de la manutencin textil (ensima- jes: tintes, encolajes, aprestos).

3.2.2. - Otras propiedades de calidad. - Comportamiento frente a unos factores que intervienen e n el curso de la utilizacin.

Es difcil citar todas las propiedades que entran en juego cuando se juzga la calidad de una fibra determinada frente a u n empleo dado.

Deberemos limitarnos a citar las principales, considerando los principales factores fsicos, qumicos o biolgicos a los que estn sometidos los artculos textiles:

3.2.2.1. - Calor: Adems de la modificacin de las propiedades mecnicas, el comportamiento de las fibras textiles el calor interviene en diversas propiedades.

E n lo que concierne a la produccin de fibras, la existencia de diferentes estados de la materia del polmero regula la facilidad de ob- tencin de fibras por extrusin en estado fundido y condiciona las operaciones de acabado de los hilos o de los tejidos.

El calor acta en ambos casos liberando a todas o parte de las macromolculas de las fuerzas de interaccin que las unen entre s, favore- ciendo as, su libre juego. Por debajo del punto de fusin (cuando exista), se notan diferentes temperaturas en las que ciertas propiedades regula- das por la cohesin intermolecular son modificadas: coeficiente de dila- tacin cbica, coeficiente de conductibilidad trmica, facilidad de fluencia. Estas temperaturas de transicin de diversos estados (llamados equi- vocadamente: temperatura de transicin de segundo orden) son de importancia en lo que se rebere a las propiedades de fluencia del material, que entran en juego en el termofijado (pre- y post-fijado) y en los pro- cesos de texturizacin de los hilos (BANLON, HELANCA, etc.).

El punto de fusin debe considerarse en la fabricacin de la fibra. No debe ser demasiado elevado, n i demasiado bajo y puede observarse que algunas materias como los poliureas no tuvieron xito textil, por cuanto que el hombre no supo fabricar u n polmero que fundiese por debajo de 300. El URYLON (polinonametileno rea) funde hacia los 260' Adems, existe una estrecha relacin, como ya veremos, entre el punto de fusin, las temperaturas de transicin y las propiedades mecnicas. Estos parmetros son de importancia capital.

E n presencia de aire, la accin del calor se manifiesta e n otras propiedades de empleo, que conciernen a la resistencia a la oxidacin. Esta puede traducirse por fenmenos de amarilleamiento nocivos, o en ciertos casos, por la facilidad ms o menos grande de inflamacin. Algunas aplicaciones exigen unos textiles insensibles a la accin del calor.

En el mismo orden de ideas, la resistencia a la degradacin por la luz es una propiedad ,de uso importante. Aunque se conocen sus mani- festaciones cual,itativamente, es ms difcil relacionar la influencia de la luz con las variaciones de estructura.

3.2.2.3. - Electricidad.

Las cualidades de aislante elctrico de las fibras son muy variables, pero intervienen en diversas propiedades ligadas a la elaboracin de los tejidos o a sus cualidades de uso. La conductibilidad elctrica, la capacidad dielctrica, son importantes en los fenmenos de electrizacin de las masas de fibras y regulan cierto nmero de propiedades de los tejidos como el empolvado, el manchado, la facilidad de limpieza, etc ...

3.2.2.4. - Resistencia a los agentes qumicos o biolgicos.

Ciertas propiedades de empleo estn relacionadas con la resistencia n estos agentes de degradacin. No es necesario insistir sobre este punta, pues se concibe que se trata, la mayora de las veces, de casos especficos.

En lo que concierne a la resistencia qumica, conviene hacer notar u n hecho muy importante: las reacciones qumicas que intervienen entre pequeas molculas estn aqu completamente perturbadas por el hecho de que se trata de macromolculas organizadas en estructuras com- pactas y poco penetrables. Nos encontramos en este punto con u n concepto nuevo: la reaccin topoqumica que supone que una macromolcula polifuncional por construccin, actuar slo muy raramente en el conjunto de sus funciones.

Adems de la reactividad propia de cada funcin a lo largo de la cadena que se rige por la naturaleza qumica de esta funcin y su es- tereoqumica (impedimento estrico), la accesibilidad propia de cada fiincin determinar la velocidad y la extenqin de la reaccin qumica en cuanto a la macromolcula entera, y esta accesibilidad depende de la estructura fibrilar y macromolecula~r.

Para terminar este largo prembulo, nos queda an por citar algunas propiedades de los tejidos de naturaleza muy sutil y sobre los cuales no se poseen ms que unos pocos datos aisla*dos Son propiedades subjetivas, tales como el tacto cada, calidad el brillo donde el jui- cio del observador cuenta, en gran parte. Pero en estas propiedades, es evidente que la estructura de los tejidos juega u n p a n papel y por ello nos referiremos a este punto ms adelante.

4. - PLAN DE ESTUDIO DE LAS RELACIONES ENTRE ESTRUC- TURA Y PROPIEDADES TEXTILES.

Por la brevedad de este cursillo, no es posible entrar en detalle de los fenmenos. Por otra parte, considerando el estado ac t~ia l de nuestros

conocimientos, e l detalle correspon~de siempre a u n caso particular, por lo que se hace necesario separar las lneas de fuerza de las relaciones entre estructura y propiedades textiles.

Nos limitaremos, pues, en establecer estas lneas de fuerza, e n considerar las principales clases de fibras y sus principales propiedades.

A tal objeto, comparemos una y otra vez los conceptos que figuran e n la tabla siguiente con los principales estado de la estructura:

-- macromolcula - conjunto de macromolculas - fibrilla - fibra - hilo o tejido.

5. - RELACIONES ENTRE ESTRUCTURA Y PROPIEDAD E N LA ESCALA DE LA MACROMOLECULA.

I,a pregunta principal que nos hacemos sobre este punto es la siguiente:

de partes, unas cristalinas, y otras ,-imorfas (en e l sentido de la roentgeno- grafia), la cual es variable segn las contracciones mecnicas impuestas a las fibras.

U n segundo paso fu dado cuando se admiti por STAUDINGER, que las grandes molculas, aunque estuviesen formadas por u n nimero muy grande d e tomos, no comportan, en 9u forma qumica global, ms que u n nmero m u y pequeo de elementos simples: C, H, O, N. S. Esta apa- rente contradiccin est explicada, segn STAUDINGER, si se admite que estos elementos se agrupan en peqiieas estructuras, s8mples, repro- ducindose las

Si se sustituyen en una, dos o tres direcciones los enlaces dbiles por otros ms enrgicos (covalencias), se tiene la imagen del espacio cristalino macromolecular.

La deformabilidad de estos dos sistemas bajo la influencia de esfuerzos mecnicos externos obedece a dos razones esencialmente diferentes. En el verdadero cristal, es posible desplazar retculos con relacin a otros retculo6 hacindolos deslizar sobre los planos de separacin. Es el fenmeno de laminado, que puede actuar en las tres dimensiones. La didocc1- cin mecnica d8e la estructura, se efecta en principio de esta manera.

ISn el espacio cristalino macromolecular, la deformacin por laminado no es posible ms que en una, o mxime, dos direcciones, no pu- diendo efectuarse el desplazamiento en las otras direcciones, ms qun despus de la ruptura de las covalencias. La deformacin en las direcciones de polimerizacin es de amplitud muy dbil y est limitada por la capacidad de deformacin de los ngulos de las convalencias ligando los tomos de la cadena principal. Para una substancia de macromolC- culas tridimensionales, la deformabilidad es muy escasa.

As, las propiedades mecnicas textiles indican que la materia de las fibras debe poder soportar deformaciones (por corte) e n las direcciones perpendiculares al eje de la fibra y resistir en la tercera direccin. Ade- ms, estas deformaciones deben ser recuperables cuando el esfuerzo cesa.

5.2. - Principios generales de estructura de la macromolcula textil.

Para 'esponder a estas condiciones, se entiende que la macromolcula textil debe ser unidimensional. Para que un sistema tal, sea adems viscoelstico en relacin a los esfuerzos ejercidos en la direccin del eje, debe admitirse que la macromolcula debe estar formada por elementos alternativamente rgidos y deformables. La resistencia a los esfuerzos transversales o de corte lateral, impone adems que se ejerzan fuerzas de cohesin laterales, entre macromolculas, siendo estas fuerzas suficientes para mantener juntas las macromolculas, pero demasiado dbiles para entorpecer su deslizamiento.

Se puede dar un modelo aceptable de tal tipo de estructura imagi- nndonos la macromolcula~ textil bajo forma de una sucesin de pequeos imanes unidos por pequeas cadenas flexibles:

El origen corresponde al elemento entre parntesis, y se llega a la conclusin que el origen textil debe comportar un elemento flexible y deformable (correspondiente a la cadeneta) y un elemento rgido,

poco deformable, dotado de ahnidad para sus conjuntos (lo que corresponde a l imn).

5.2.2. - Linealidad de la enuoluente geomirica.

Se pueden descubrir elementos de informacin sobre la forma y la estructura de los motivos textiles examinando la marcha general de los evpectrogramas de rayos X. Estos indican que, en los espacios cristali- nos, lais macromolculas poseen u n gran eje rectilneo y que deben estar colocadas de forma que estos grandes ejes sean paralelos. Este concepto dfe rectitud no concuerda con la forma de enlace de los tomos, a causa de los ngulos de valencia. Tres tomos sucesivos no pueden esta^ en lnea recta, perol forman u n ngulo de unos l l O O .

Se puede, no obstante, hacer corresponder esta organizacincon el concepto de eje rectilneo de la molcula, cons~iderando no el enlace de los tomo individuales, sino la envolvente geomtrica que los encierr.1.

Por ejemplo, una molcula^ de hidrocarburo (en solucin muy diluda en u n disolvente apolar).

CHB - (CHa),, - CH, puede tomar una infinidad de formas en e l espacio. La molcula es deformable por rotacin de los tomos de carbono alrededor de los ejes de valencia (fig. 12).

Flg. 12

El carbono Cg puede desplazarse en el espacio de tal manera que rl ngulo de tres ton~os C1, C2 y C3 se quede en 10gO 28 y que sus distancias recprocas permanezcan invariables.

Esta movilidad no est aqu limitada por ningn esfuerzo y es posible que por desplazamientos graduales de los tomos, la molcula adquiere una forma tal que la envolvente geomtrica de' su volumen tenga u n eje rectilneo.

Es famoso y bien conocido el enlace en Lig-Zag, que se realiza rr, los cristales de hidrocarburos slidos y que ha sido confirmaido experi- mentalmente por J. J. TRILLAS.

La envolvente tiene aqu la forma de una cinta. Pueden esistir otras formas compatibles con la linealidad del eje, como ya vercmoc.

Si volvemos atrs, a l motivo textil, estamos obligados a admitir que este motivo debe poder tomar sin esfuerzo una forma de eje recti- 1' zneo.

Esta condicin es e n verdad imperativa. Se demuestra esto considerando los policondensados del glicol con los tres cidos ftlicos.

De los tres, slo el cido t~reftl ico est dotado de simetra!. En los otros dos, los ejes de valencias, que ligan los carbonilos ad ncleo, forman ngulo de 60 a 120, no modificable n i siquiera por la continuidad de la rigidez del ncleo bencnico.

Los tres cidos pueden actuar con e l glicol para dar macromolcu- lals, y se comprueba entonces, que de los tres solamente el politereftallato de glicol puede a la vez cristalizar y dar fibras textiles (Terylene).

Antes de seguir el estudio de las relaciones existentes entre la estructura qumica de la causa y las propiedades textiles, debemos abor- dar u n captulo muy importante que se refiere a las fuerzas de cohesin laterales entre macromolculas. En efecto, esta cohesin general intermolecular depende de la natura~leza de los puntos de interacin, de su nmero y de su distribucin a lo largo de las rnacrornolculas. Esta) ltima condicin indica aue la estructura de los motivos v su forma de distribucin jugarn u n importante papel en esta distribucin de las fuerzas de cohesin. Se ver taimbin que lai intensidad del aumento de cohesin que podemos atribuir a u n motivo, y que segn BUNN es una fuerza aditiva para el conjunto de los motivos, es igualmente susceptible de modificacin segn la posicin respectiva de los orgenes de cada ma- croinolcula que entra, en juego.

5.3. - Fuerzas de cohesin entre macromolculas.

Estas fuerzas son de distinta naturaleza. Deben exceptuarse las fuerzas de covalencia ya que, por ,principio, se debe considerar que dos macromolculas unidas en u n punto por covalencia, no forman ms que una sola. El caso de estos raros enlaces es, no obstante, muy interesante, aunque no podamos ahora detenernos aqu.

Adems de estos enlaces qumicos, las fuerzas de atraccin a considerar son las siguientes, por orden creciente de energa.

1. - fuerzas de dispersin de VAN DER VAALS (o de LONDON). 2. - fuerzas de atraccin por dipolos o por resonancia. 3. - interaccin por protn hidrgeno (puente de hidrgeno). 4. - electro-valencia - (o enlaces inicos).

5.3.1. - Fuerzas de TTAN DER WAALS.

Estas fuerzas estn relacionadas con la1 distribucin estadstica de los electrones que gravitan alrededor de los centros atmicos de la macromolcula.

Cada electrn se desplaza sobre una rbita varialble e n e l tiempo, perd afectando a una regin determinada del espacio que envuelve a l tom.). Este electrn negativo crea por su desplazamiento, u n campo elctrico cuya direccin vara tambin constantemente. Para el conjunto de los electrones que envuelven cada ncleo atmico, existe en calda instante, un campo resultante suscepti6le de actuar sobre los circuitos electrnicos de los electrones de los tomos prximos y especialmente sobre los de una molcula, prxima si las distancias son suficiente pequeas.

Los efectos de orientacin, de difusin y de induccin provocados por la deformabilida~d de la nube electrnica de una molcula wbre la nube de la molcula inmediata se traducen en una polarizacin instantnea, que provoca u n desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas elctricas en cada molcula y trae consigo la aparicin de momen- tos dipolares instantneos cuya resultante provoca una dbil atraccin residual constante entre las dos molculas.

Estas fuerzas fueron asimiladas por LONDON a las a~delantadas por VAN DER WAALS para explicar e l comportamiento real de las molculas gaseosas en la relacin que liga la presin a l volumen del gas (covolumen). Por esta razn, se les llama interacciones de VAN DER WAALS.

Por su origen mismo, se explica que estas fuerzas tengan una influencia limitada en el espacio prximo que rodea cada ncleo y de- crecen en funcin del cuadlrado de la distancia a este ncleo. E l limite de su intervencin para cada tomo es una esfera de radio algo superior

C (de 1 A) a l radio de unin covalente simple. El radio de VAN DER o

WAALS del tomo es del orden de 4 A. Por este lado, las atraccionc-s cambian de signo y se transforman en repulsin, de suerte que esta distancia constituye el mnimo intervalo posible entre los tomos de las molculas prximas.

La energa que se desprende de estas interacciones es escasa. Se ele- val a algunos centenares.de caloras para u n elemento de cadena hidro-

O

carburorada de 5 A de longitud. Estas fuerzas sirven especialmente para explicar la cohesin de los

cristales de hid~ocarburos. Si se eleva la temperatura del cristal, la

agitacin trmica provoca unos movimientos moleculares que afectan ;i fragmentos cada vez mayores de las cadenas (por rotacin alrededor de los ejes de covalencia). Estos movimientos, llamados movimientos mi- crobrownianos, alejan ciertos tomos de las molculas vecina6 y dismi- nuyen las interacciones de VAN DER WAALS. La movilidad de los fragmentos moleculares y despus la de las molculas por s mismas aumenta hasta le liberacin de estas ltimas. Se obtiene as la separacin total del cristal, y en consecuencia, la fusin.

Se comprende que este fenmeno intervenga tanto ms tarde en funcin de las temperaturas crecientes cuanto que las molculas afectadas sean ms largas, ya que la energa de cohesin es funcin de esta longitud.

De hecho, se verifica una relacin entre el nmero de tomos de carbono de un hidrocarburo lineal saturado y el punto de fusin de este hidrocarburo cristalizado.

La curva representativa tiene la siguiente marcha (fig. 13).

F *

Points de Fusion des Aoidas Gras.

i 00 *S 10 t 5 ,10 3 f

Nombre de C de 1'Acide J 1 :<

Se observar a este respecto que los puntos de fusin se sitan sobre 2 curvas con una asntota comn, correspondientes, una a la serie de hidrocarburos de nmero par de tomos de carbono, y la otra a la serie impar. Esta ltima est situada por debajo de la otra, lo que significa que los hidrocarburos impares tienen una marcada tendencia a fundir a una temperatura ms baja, que los hidrocarburos paTes.

Este fenmeno es de muy interesante estudio, y se explica por la geometra de los enlaces de molculas a lo largo de los cristales y especialmente por la ms o menos buena linealidad de su eje.

La fig. 14 muestra que la sucesin de las molculas de nmero par se hace segn una cadena ms rectilinea que en el caso de un nmero impar.

'Conviene advertir que, en el caso de los hidrocarburos pares, los ejes de valencia de los C termina-les son paralelos:

mientras que con los hidrocarburos impares, estos mismos ejes forman u n ngulo.

Y tambin que los extremos de la molcula par estn en posicin trans en relacin a l eje de la molcula, y en posicin cis para las molculas impares.

Se conocen bien otros fenmenos e n los que la geometra de la molcula interesa por e l punto de fusin de los cristales; por ejemplo, en el caso de la funcin etilnica:

CH3 CH,

II Il C .c \

COOM \

COOH

Ejemplo: cido olico (cis) : F0 = 1 6 O cido oledico (trans) = F z 47".

Esta relacin entre la estereometna de las molculas cis/trans y la intensidald de las interacciones de VAN DER VAALS -sealada por la diferencia de los puntos de fusin- es u n factor importante de lal influencia de la estructura de los motivos macromoleculares sobre la energa de cohesibn inter-macromolculas.

El estudio de las posibilidades de interacciones VAN DER WAALS entre las macromolcula~s encuentra tambin su inters en lo que se refiere a la flexibilidad o a la deformabilidad de la molcula. Acta sta e n el mismo sentido que la agitacin trmica, aumentando las posibilidades de movimiento, y tambin de variacin de distancias entre molculas.

La presencia en la cadena de u n hidrocarburo del grupo - C - O - Il O

en lugalr de - CH, - CH2 - corresponde a u n importante descenso del punto de fusin. La parafina en CI8 funde a 28C. mientras que e l pal- mitato de etilo, en el mismo nmero de C de la cadena, funde a 25'5OC.

La misma posicin del punto de mayor flexibilidad a lo largo de 13 molcula juega su papel. Hemos estudiado u n cierto nmero de familias de molculas de igual longitud de cadena, de frmula general:

CH3 - (CHZ),, - X - (CH2) ,, ' - CH, siendo X Lin grupo tal como - CO-O -, - CONH, - CH = CH- etctera ... y teniendo u n valor constante n + nJ.

La curva de variacin del punto de fusin en funcin de n, es decir, en funcin de la posicin de X en la molcula presenta una marcha general como la que aparece en la figura 15 que viene a demostrar una

vez ms la1 influencia del factor de simetra sobre la intensidad de las fuerzas de VAN DER WAALS.

Volveremos a hablar sobre este importante fenmeno.

5.3.2. - Interacciones polares:

5.3.2.1. - El segundo tipo de fuerza de atraccin entre molculas es de la misma naturaleza que las fuerzas de VAK DER WAALS cuando las causas que las determinan son permanentes y no instantneas. Ciertas disposiciones de tomos presentan una disimetra natural de distribucin de electrones, ms o menos sealadas que corresponden a u n momento dipolar ms o menos potente.

H I

Por ejemplo, la funcin - C - es de asta naturalcz,~. l

C1

Resultan, pues, fuerzas de atraccin coulombianas (interacciones ), de intensidad mayor que las de VAN DER WAALS (algunos

O

millares de caloras para 5 A de cadena). De tales fuerzas provienen las m a c r o m o l ~ u l s de policloruro de vi-

nilo, por ejemplo:

Estas posibilidades son tambin engendradas otros grupos funcio- nales: - NO,, - O - CO - CH,, etc.

H a de resaltarse aqui u n hecho importante. La posicin del dipolo en la molcula es fija, mientras que para las fuerzas de VAN DER WAALS los dpolos dbiles que se forman instantneamente ocupan po- siciones que varan constantemente a todo lo largo de la molcula.

5.3.2.2. - Necesidad de la regularidad de distribucin.

Debido a que estos dpolos estn en relacin con los de las molculas vecinas paralelas, es necesario que su distribucin se corresponda de molcula a molcula.

Se ve as aparecer u n nuevo factor que interviene en la fuerza d e cohesin intermolecular: este factor es la regularidad de distribucin d e los puntos de atraccin a lo largo de las molculas.

Cunto ms regularmente estn repartidos los puntos de atraccin, ms numerosas son las zonas de atraccin entre molculas, ms rgida vuelve el conjunto de la molcula y ms eleva.-las son las fuerzas de cohesin comprendidas las fuerzas adicionales de Van DER WAALS, que pueden as mostrar ms claramente cmo las molculas guardan u n s forma y una, posicin fijas unas con respecto a otras.

Esto est perfectamente demostrado por la comparacin de los puntos de fusin del policloruro de vinilo y del poliacrilonitrilo, lo que da como resultado la polimerizacin del cloruro de vinilo: CHB -= CHCI y del nitrilo dtel cido acrlico: CH, = CH.

l CN

Se sabe que esta polimerizacin es el resultado de una reaccin en cadena que provoca la apertura del doble enlace con formacin de radicales libres:

+ f CH - CHX / \

que se combinan, a continuacin entre s:

Ahora bien, en el caso del cloruro de vinilo, las molculas radicales: pueden volver a actuar indistintamente mediante uno u otro de los dos tomos de carbono activados, mientras que (sin duda a consecuencia de efectos de resonancia debidos a la presencia del triple enlace - C) siem-, pre es e l mismo tomo de C activado el que vuelve a actuar en el caso del acrilonitrilo.

Da por resultado que los tomos de C1- y por consiguiente los d- polos - CH - estn distribudos a l azar a lo largo de la macromolcu-

I

C1 la, mientras que las funciones nitrilo - C N lo son de manera regular.

La cohesin intermacromolecular es mucho ms fuerte en el segundo caso y el comportamiento trmico es claramente distinto.

El policloruro de vinilo estirado se contrae hacia los 7Q0, mientras que el poliacrilonitrilo permanece estable a temperaturas mucho ms elevadas.

Un tipo de atraccin relacionado con la atraccin dipolar es la resultante de las fuerzas de resonancia entre formas mesmeras. Por ejemplo, las atracciones entre ncleos aromticos, debidas a los 6 electrones

que gravitan alrededor de los tomos de carbono del ciclo. Estas fuerzas de atraccin participan notablemente en la cohesin dc los polisteres aromticos del tipo Terylene, del cual hemos hablado.

Pero algunas molculas pueden derivarse a lo largo de la cadena principal hidrocarbonada de los ciclos aromticos. Por ejemplo, el polies- tireno: - [CHz - CH] -

I C6H5

Como para ei policloruro de vinilo, la regularidad de distribucin de estos puntos de atraccin tiene su papel, y actualmente se sabe cmo hacer fibras valiosas de poliestereno catalizando la formacin de las ma- cromalculas para que los ncleos fenilo se distribuyan regularmente.

5.3.3. - Interacciones Hidrgeno:

5.3.3.1. - Historia y definicin. -En 1921, W . M. LATIMER y W. H. DODEBUSH, dos jvenes investigadores del Laboratorio del Pro- fesor G. N. LEWIS, propusieron, para explicar ciertos fenmenos de asociacin de molculas, un nuevo tipo de enlace de coordinacin relativa al tomo de hid,rgeno.

Se sabe que la coordinacin est basada en la teora del octeto (por ejemplo en los complejos de WERNER). Aqu, esta teora no es aplicable ya que la capa K del tomo de hidrgeno est saturada por dos electrones. No obstante puede admitirse, en el supuesto de que el electrri del hidrgeno haya sido cedido a otro tomo gracias a una iinin electrovalente, disponiendo el tomo de una valencia desconocida que permite la coordinacin con los tomos dotados de dobletes electrnicos libres. LATIMER y RODEBUSH cuentan as los fenomenos de asociacin de las molculas de agua en dmero, trmeros, etc.

La ionizacin muy dbil del agua indica que uno de los tomos de hidrgeno de la molcula puede ser considerado como unido por electrovalencia (sindolo entonces el otro por covalencia). La molcula presenta la siguiente mesomera:

El protn del tomo circundado ha cedido al tomo de oxigeno de la molcula A su electrn para formar un doblete electrovalente.

En la molcula B, el tomo de oxigeno ha tomado uno de estos electrones perifricos en covalencia con un tomo de hidrgeno y en electro- Valencia con el otro. Los otros cuatro electrones que completan el octeio estn a~ociad~os a pares en dos dobletes electrnicos.

Si el protn circundado de la' molcula A se encuentra a una distancia adecuada de uno de los dobletes electrnicos libres de B, se halla atrado y tiende a saturar con dos electrones su capa planetaria.

Esta atraccin de naturaleza no bien determinada recibe el inadecua- do nombre de enlace hidrgeno (Hydrogen Bond). De hecho, no se trata de un verdadero enlace qumico, sino solamente de una interaccin de naturaleza electrosttica. Preferimos, al igual que el Prof. CHAMPE TIER, llamarla interaccin hidrgeno.

5.3.3.2. - Condiciones de constitucin.

Esta. interaccin posee u n cierto nmero de caractersticas:

1. - Es necesario que el tomo de hidrgeno responsable tenga un carcter, tambin, de ion. Debe estar ligado por un enlace de naturaleza electrovalente a un tomo

Por el contrario, los monocidos orgnicos, tales como el cido acti- co, presentan asociaciones moleculares (evidenciadas por criccopia) entre molculas vecinas. Las interacciones, pueden en este caso, ser simple o dobles lo que influye sobre las formas cristalinas de los productos en estado slido:

4 0 0 . e H - R - C G -e- R

'0 - H , 0 0 0 4 -

dob le

simple

Formas que corresponden a puntos de fusin diferentes. (A. PARISOT) Olagineux. 5 (Dic 1950, 639, 695).

En las fibras textiles, se encuentran igualmente los dos tipos de interaccin H, intra- e intermacromolecular, y el papel que jiiegan no es evidentemente el mismo. - Por ejemplo, e n la celul,osa, se admite que la cohesin lateral entre macromolculas se mantiene por interacciones H dobles, entre funciones alcohol secundario.

Pero la espectrografa infra-roja con luz polarizada indica que existen interacciones H de direccin, bien paralela a l eje de la molcula o bien perpendicular a este mismo eje. Se debe, pues suponer que las inter- ciones paralelas se forman entre tomos de la misma macromolcula, por ejemplo entre funciones alcohol, primario o secundario, y uno u otro de los tomos de oxgeno ter-xido.

En las protenas tambin coexisten los dos tipos de interaccin especialmente en la forma a - keratina.

!5.3.3.3. - Origen y naturaleza de las interacciones hidrgeno.

El origen mismo de la interaccin H est an sometido a controver- sias. La naturaleza electro-esttica de la, interaccin est sostenida por diversos hechos. La energa de la interaccin es la mayor para los sistemas donde el tomo de hidrgeno es el ms electropositivo (comparar el cido fluorhdrico y los amidas). No obstante, algunos hechos invalidan este argumento (falto de correlacin entre la fuerza del enlace H y el momento dipolar).

Parece que el carcter hbrido de la unin entre el tomo de hidr5- geno y el dador (a la vez covalencia y electrovalencia) permita a las teoras de tautomera, mejor dicho de mesomeria, dar una mejor solucin. La tautomera adelantada por HUNTER (mesohydric tautomerism) exigira la existencia de dos formas estables y aislables (lo que raramente ocurre en este caso).

Por ejemplo: en el aldiehido saliclico:

Pero no es necesari.0 pasar por la tautomera para admitir la influencia de fuerzas de resonamia,. La mesomera no exige la existencia individual de los dos ismeros sino solamente un eauilibrio ms o menos a favor de una u otra forma, sin que jams stas sean alcanzadas. La mesomera se encuentra en diversas frmulas del benceno.

As la idea es ms seductora. Explica ciertos hechos, como por ejemplo, la dbil variacin del punto de fusin de los amidas de la serie BCONH2, cuando el nmero de tomos de carbono del radical R aumenta. Se puede admitir que en el estado cristalino, las molculas de amidas se asocian de dos en dos:

como las moucdas de los cidos correspondie~tes. Se deber pues, comprobar que el punto de fusin de estos cuerpos aumenta as como el de los cidos, se& una ley general.

Entolzces, la variacibn es muy dkbil a partir de C8HI7CONH2. SUPO- nemos entowes que el segundo tomo de hidrgeno de la molcula es- tablece, a su vez una interaccin lateral con Los tomos de oxgeno ve- cinos, gracias a su segundo doblete electrnico no tomado:

Las fuerzas de resonancia que se ejercen en las dos direcciones perpendiculares dan una cohesin considerable al conjunto y determinan el punto de fusin relativamente elevado para esta serie de cuerpos.

La mesomera explica tambin muy bien las propiedades particulares de la funcin amida secundaria en las poliarpidas.

KUMLER y PORTER, recogiendo las hiptesis de L. PAULING, ad- miten que la resonancia interviene en las amidas substitudas segn el equilibrio:

Pero esto ,no puede ser cierto en el caso de las poliamidas, pues se sabe que, en estas ltimas, los tomos O y H estn en posicin trans, entorpeciendo as el traslado del doblete electrnico.

En el estado cristalizado, en las poliamidas, se sabe que existen interacciones H entre funciones -CO-NH- de molculas vecinas, si se encuentran lo suficientemente prximas. Resulta, pues, admisible un equilibrio rnesmero de los edificios formados por dos (o varias) funciones amidas vecinas.

Todos b s tomos afectados por esta mecomera se enbue~tkan en igual situacin, gracias al carcter de doble enlace parcial del edace:

EVANS y GERGELY dieron en 1949 una imagen definida de esta hiptesis, que recientemente PULLMAN y COLL (Biochirnica et Biophysi- ca Acta, 52 (19f31) (254) han intentado hacer explcita por el mtodo de las vrbitales moleculares. Supondra una confirmacin de la hiptesis de SZENT-GYORCYI (1941) segn la cual el traslado de la energa en los sistemas bioqumicos de los polipptidos se puede efectuar mediante un mecanismo anlogo al de la conductividad en los cristales, la disposiciii de ltos>C = O . . . HN C = O y > NH.

de ver modificadas profundamente las propiedades del polmero, que pierde su carcter ' monodimensional.

No se puede, empero, dejar de hablar de ello, pues, si no se ha intentado an introducir en los polmer~s fibrgenos los puentes de electrovalencia, nada permite decir que siempre va a ser as. Las mltiples reacciones a base de puentes covalentes que han sido experimentados, tanto en las fibras artificiales o sintticas, como en las naturales, con el fin de aumentar, por ejemplo, la elasticidad o el autodesarrugado, pueden tambin ser transpuestas para realizar interacciones electrovalentes y conferir ciertas propiedades an desconocidas.

estructura química de las fibras

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