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VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandia 2002
883-888
EFECTOS DEL MERCERIZADO EN LAS PROPIEDADES
MECÁNICAS DE HILOS DE FIBRAS CELULÓSICAS REGENERADAS
OBTENIDAS POR HILATURA EN ÓXIDO DE N-METILMORFOLINA
F. Carrilloa, X. Coloma, M. Garrigaa, A. Naikb, M. Lisb, F. Gonzáleza, J. Valldeperasb
a
b
Departament d’Enginyeria Química, EUETIT-UPC, Colom, 1, 08222, Terrassa.
INTEXTER – UPC, Colom 15, 08222, Terrassa.
RESUMEN
El mercerizado es uno de los tratamientos más importantes que se realizan sobre las
fibras celulósicas, para mejorar las propiedades de estabilidad dimensional y accesibilidad. El
objetivo del trabajo es el de estudiar el efecto que produce el tratamiento de mercerizado, con
diferentes concentraciones de hidróxido sódico, sobre las propiedades mecánicas de tracción
(alargamiento, módulo de Young, tenacidad y trabajo de rotura) de muestras de hilo
compuesto por fibras obtenidas por hilatura en óxido de N-metilmorfolina (NMMO), las
cuales se denominan genéricamente lyocell. Los resultados experimentales indican que se
produce una disminución progresiva de las propiedades mecánicas hasta una concentración
4,18 M de NaOH, manteniéndose constante el comportamiento a partir de este valor. Esta
modificación en el comportamiento es consecuencia de los cambios estructurales y de
cristalinidad producidos en la fibra.
Palabras clave
Lyocell, propiedades mecánicas, mercerizado.
1. INTRODUCCIÓN
Debido a la problemática técnica y medioambiental del proceso viscosa para la
obtención de fibras de celulosa regenerada, durante estas últimas décadas ha habido un gran
interés en el desarrollo de sistemas basados en el uso de disolventes no acuosos de la
celulosa[1]. Actualmente, sólo el óxido de N-metilmorfolina ofrece una alternativa
comercialmente viable y el producto obtenido ha sido reconocido con el nombre genérico de
lyocell[2].
El tratamiento de mercerizado, con soluciones de hidróxido sódico, ha sido aplicado
industrialmente durante muchos años sobre las fibras de celulosa. Este proceso produce
cambios en la estructura de las fibras[3] que mejoran las propiedades de accesibilidad y
estabilidad dimensional de las mismas en función de las condiciones del tratamiento
(concentración de NaOH, temperatura, tiempo y tipo de celulosa)[4].
El objetivo del presente trabajo es el de analizar el efecto del tratamiento de
mercerizado, en función de la concentración de hidróxido sódico, sobre las propiedades
mecánicas (alargamiento, módulo de Young, tenacidad, trabajo de rotura) de hilos formados
por fibras de lyocell.
2. METODOLOGÍA
2.1 Materiales
Se han utilizado muestras de hilo compuestos por fibras de lyocell, con una densidad
lineal de 1,7 dtex (tex = masa de hilo expresada en g/1000m). Los hilos presentan torsión “z”
con un valor medio de 274,4 vueltas/m y una densidad lineal media de 45 tex.
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Carrillo, Colom, Garriga, Naik, Lis, González y Valldeperas
2.2 Tratamiento de mercerizado
Previamente al tratamiento de mercerizado, las muestras se lavaron con una solución de
2 g/l de carbonato sódico durante 30 minutos y posteriormente se eliminó la solución de
tratamiento por aclarado con agua destilada. Finalmente, las muestras se secaron durante 2
horas a 105ºC.
Para los tratamientos de mercerizado, 2,5 g de las muestras secas se trataron durante 30
minutos con distintas soluciones de NaOH a 20ºC, siendo la relación del baño 1:11 (g
muestra/ml de baño). Las concentraciones de los baños de NaOH fueron las siguientes: 0.78,
1.55, 3.10, 4.18, 4.42, 4.50, 5.35, 6.00, 7.5 M de NaOH. Posteriormente, las muestras se
lavaron con agua, se secaron a 40ºC y se acondicionaron a 21 ºC y 65 % de humedad relativa
durante 24 h.
2.3 Propiedades mecánicas
La determinación de las propiedades mecánicas se ha realizado según la norma UNE
40-004-075. El ensayo se ha realizado utilizando una máquina Statimat M. La longitud de la
probeta ha sido de 250 mm, la velocidad de extensión de 62 mm/min y la fuerza aplicada de
10 N, bajo condiciones de humedad y temperatura normalizadas, 65 % y 21 ºC,
respectivamente. El ensayo se repitió 25 veces. A partir de las curvas carga específica (fuerza
de tracción soportada por la unidad de masa lineal (tex) de la probeta, cN/tex)/deformación
(%) obtenidas se han calculado las propiedades mecánicas de tracción medias para cada uno
de los tratamientos realizados. Para el cálculo del módulo de Young, debido a la imprecisión
con la que suele presentarse el comienzo de la curva, se ha calculado como el módulo secante
al 2,5 %, correspondiente a la recta trazada desde el origen hasta el punto de la curva que
corresponde al alargamiento del 2,5 % , según norma UNE 40-004-075.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la figura 1 se representan las curvas esfuerzo (N/tex)/deformación (%) promedio
obtenidas, para cada una de las muestras analizadas sometidas a los tratamientos de
mercerizado.
20
0M
18
1,55M
Tenacidad (cN/tex)
16
3M
0,78M
14
4,5M
6M
12
10
4,42M
8
6
4
4,18M
2
0
0
5
10
15
Alargamiento (%)
Figura 1. Curvas carga específica/deformación promedio de fibras lyocell mercerizadas a
diferentes concentraciones de NaOH (A: 0 - B: 1,55 - C: 3,0 - D: 4,18 - E: 4,5 - F:6,0 M
NaOH).
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VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos
A partir de estas curvas se han obtenido los valores de las principales propiedades
mecánicas definidas anteriormente: módulo de Young (cN/tex), deformación (%), carga
específica de rotura (cN/tex) y trabajo de rotura (cN.cm), cuyos valores promedio se han
resumido en la Tabla 1. También se ha indicado la densidad lineal de las muestras,
expresando el resultado en g/1000 m (tex).
Tabla 1. Propiedades mecánicas de tracción de hilos de lyocell mercerizados a diferentes
concentraciones de NaOH (M): 0, 0,78, 1,55, 3,10, 4,18, 4,42, 4,50, 5,35, 6,00, 7,50.
Propiedades mecánicas
Muestra Densidad
lineal
(tex*)
Estadística
(25 ensayos)
Módulo de Alargamiento
Young -2,5%
(%)
(cN/tex)
Tenacidad
(cN/tex)
Trabajo de
rotura
(cN.cm)
A0
45,001
Media
Desv. Estándar
C.V. (%)
288,68
13,80
4,56
8,09
0,71
8,72
18,88
1,34
7,08
965,52
142,33
14,74
A0,78
47,565
Media
Desv. Estándar
C.V. (%)
151,91
26,98
16,80
8,79
0,83
9,45
15,95
1,47
9,21
822,23
146,76
17,85
A1,55
51,012
Media
Desv. Estándar
C.V. (%)
118,75
27,16
20,17
9,32
0,79
8,47
17,30
1,41
8,15
882,29
153,62
17,41
A3,10
48,450
Media
Desv. Estándar
C.V. (%)
32,95
36,86
103,90
11,41
1,80
15,74
14,56
1,19
8,79
759,76
123,74
16,29
A4,18
54,325
Media
Desv. Estándar
C.V. (%)
10,70
6,30
48,76
14,00
1,90
13,54
12,97
0,78
6,01
772,11
89,45
11,59
A4,42
51,156
Media
Desv. Estándar
C.V. (%)
17,46
9,69
48,82
13,12
2,21
16,84
13,71
0,80
5,83
811,67
87,55
10,77
A4,50
48,754
Media
Desv. Estándar
C.V. (%)
20,91
9,25
40,84
12,57
1,89
15,05
14,42
0,76
5,27
793,62
78,78
9,93
A5,35
53,332
Media
Desv. Estándar
C.V. (%)
24,87
8,60
29,17
11,46
0,94
8,18
12,85
0,77
6,00
763,65
89,82
11,76
A6,00
53,458
Media
Desv. Estándar
C.V. (%)
48,08
36,87
64,55
10,39
2,16
20,75
12,61
1,33
10,55
721,96
160,07
22,17
A7,50
50,301
Media
Desv. Estándar
C.V. (%)
19,91
5,23
23,50
11,86
3,11
26,26
13,04
2,47
18,94
738,72
179,72
24,33
* 1 tex = 1g /1000 metros.
En la figura 2 se compara la influencia de los tratamientos de mercerizado para cada una
de las propiedades estudiadas, representando el intervalo de confianza al 95% del valor medio
obtenido en cada caso.
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Carrillo, Colom, Garriga, Naik, Lis, González y Valldeperas
Carga específica a rotura (cN/tex)
16
Deformación (%)
14
12
10
8
6
4
2
18
16
14
12
10
6
7,
5
5
35
4,
5,
42
4,
1
18
3,
4,
55
1,
0
0,
78
0
20
0 0,78 1,55 3,1 4,18 4,42 4,5 5,35 6
Concentración de NaOH (M)
7,5
Concentración NaOH (M)
350
1200
7,5
6
0
5,35
Concentración de NaOH (M)
200
4,5
6
7,
5
35
5,
5
42
4,
4,
1
18
4,
3,
55
1,
0
0,
78
0
400
4,42
50
600
4,18
100
3,1
150
800
1,55
200
1000
0,78
250
0
Trabajo de rotura (cN.cm)
Módulo (cN/tex)
300
Concentración de NaOH (M)
Figura 2. Influencia de la concentración de NaOH sobre las propiedades mecánicas:
a) deformación, b) carga específica a rotura, c) módulo de Young, d) trabajo de rotura.
Como puede observarse el tratamiento de mercerizado modifica significativamente las
propiedades mecánicas de las muestras de lyocell analizadas. El módulo de Young, la
tenacidad y el trabajo de rotura disminuyen progresivamente, un 96 , 31 y 20 %
respectivamente, hasta la concentración de 4,18 M de hidróxido sódico. Debe destacarse la
pérdida significativa del módulo de Young, indicando una importante reducción de la
estabilidad dimensional de la fibra tras el tratamiento con sosa. A partir de este valor los
cambios son poco significativos constatándose una evolución constante de las propiedades
mecánicas.
Por otro lado, se observa un aumento del alargamiento hasta un 73% para la
concentración de 4,18 M de NaOH. Este comportamiento indica que el tratamiento con sosa
disminuye la estabilidad dimensional inicial de la fibra. Además de la pérdida de estabilidad
dimensional de la fibra debe considerarse el efecto del incremento observado de la densidad
lineal de las muestras (Tabla I), de 45 tex a 50 tex, como consecuencia del encogimiento
longitudinal de las fibras provocado por el tratamiento. Concentraciones superiores a 4,18 M
se inicia una disminución del alargamiento, debido a que el efecto de los cambios
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VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos
estructurales del tratamiento se hace plausible y no puede ser compensado por el
encogimiento simultáneo producido por el mismo. Este encogimiento irrecuperable de la
longitud de las fibras, puede explicarse teniendo en cuenta que durante el tratamiento en
húmedo, las moléculas de agua se introducen en las regiones amorfas de las macrofibrillas
constituyentes de la fibra, solvatando los grupos –OH de la celulosa. Este proceso aumenta la
distancia entre las macrofibrillas, produciendo el hinchamiento radial de la fibra. Como
consecuencia las tensiones de unión entre las fibrillas elementales de las macrofibrillas se
reducen, impidiendo la distribución simétrica de las mismas. De esta forma, las macrofibrillas
se curvan, disminuyendo la longitud de las fibras. Después de secar la fibra, las moléculas de
agua asociadas con los grupos –OH de las regiones amorfas desaparecen y la distancia entre
las macrofibrillas decrece, pero sin recuperar totalmente su estado inicial.
Los resultados obtenidos demuestran que la acción química del tratamiento de
mercerizado modifica significativamente las propiedades mecánicas de tracción de las
muestras. Esta disminución puede explicarse como consecuencia del efecto de degradación
estructural producido por el tratamiento de mercerizado. Trabajos precedentes demuestran que
las fibras de lyocell están constituidas por una mezcla de celulosa cristalizada II y celulosa
amorfa[5] y que durante el tratamiento de mercerización se produce la degradación estructural
de la fibra, por transformación de la celulosa cristalizada II a celulosa amorfa[3,6]. Como
consecuencia de esta transformación, disminuye el grado de cristalinidad de la fibra y
consecuentemente se produce una disminución de la carga específica a rotura y el módulo de
las mismas.
Por otra parte, el trabajo a rotura disminuye en menor medida debido a que la reducción
significativa del módulo y carga específica a rotura observadas es compensada por el aumento
del alargamiento.
4. CONCLUSIONES
El estudio realizado indica que el tratamiento de mercerizado modifica significativamente
las propiedades mecánicas de tracción de los hilos fabricados con las fibras de lyocell. La
propiedad más afectada es el módulo de Young, con una reducción de hasta el 90%. En todos
los casos se observa un punto de inflexión de los cambios en las propiedades mecánicas,
correspondiente al tratamiento con disoluciones entre 3,0 y 4,18 M. A partir de 4,18 M de
concentración las propiedades mecánicas se mantienen estables para concentraciones de
tratamiento superiores, lo que indica que para las condiciones de trabajo utilizadas (30
minutos y 25 ºC) el aumento de concentración no produce cambios significativos.
Los cambios observados en las propiedades mecánicas son consecuencia directa de la
degradación estructural que produce el tratamiento de mercerizado. Durante la acción del
tratamiento disminuye el grado de cristalinidad de las fibras por transformación de la celulosa
cristalizada II a celulosa amorfa. Esta descristalización es la responsable de la reducción del
módulo, tenacidad y trabajo a rotura de las muestras ensayadas, mientras que el alargamiento
aumenta inicialmente como consecuencia del incremento de la densidad lineal de las muestras
por encogimiento longitudinal de las fibras.
5. REFERENCIAS
1. A.S. Chegolya , D.D. Grinshpan, E.Z. Burd, Production of regenerated cellulose fibers
without carbon disulfide, Text. Res. J. 59, 501-506, 1989.
2. ISO 2076, Textiles- Man-made fibers – generic names (1995)12-12, Reference number
ISO/TC 38/SC N 1631.
3. X.Colom, Carrillo F., Crystallinity changes in lyocell and viscose-type fibres by caustic
treatment, Accepted for publication in European Polymer Journal on february, 2002.
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Carrillo, Colom, Garriga, Naik, Lis, González y Valldeperas
4. J. Kennedy, G. Phillips, P. Willians, Allomorphs of cellulose and other polysaccharides,
Woodhead Publishing Limited, , Cambridge, 1996.
5. J. Kroschwitz, M. Howe-Grant, Encyclopedia of Chemical Technology, WileyInterscience Publication, New York, 1993.
6. X. Colom, F. Carrillo, G. Moratalla, F. Nogués, Modificación del grado de cristalinidad
en fibras de celulosa regenerada sometidas a un proceso de mercerizado, 2001
International Textile Congress, Terrassa, Conference Proceedings Vol.I, 29-38, 2001.
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