30 Sep FIBRAS TEXTILES – Parte 2 – CARACTERÍSTICAS y PROPIEDADES
- Características de las Fibras Textiles
Las fibras textiles deben poseer ciertas propiedades para convertirse en una materia prima textil adecuada.
Las propiedades que son esenciales para ello pueden clasificarse como Propiedades Primarias.
Las otras propiedades que añaden características específicas o estéticas al producto final, pueden clasificarse como Propiedades Secundarias.
Tabla 1: Propiedades y parámetros:
- Propiedades Primarias
- Resistencia a la Tracción y Tenacidad
La resistencia a la tracción es la fuerza que resiste una fibra al ser sometida a un esfuerzo de tracción, que se expresa en gramos fuerza o en centinewton [cN]
Las fibras textiles poseen una relativa resistencia a la tracción, que varía respecto de cada fibra. Deben poseer ser lo suficientemente resistentes para absorber los procesos de hilandería y tejeduría, además de preparación y acabado para lograr el producto con durabilidad adecuada para el uso al cual está destinado.
La tenacidad se define como la resistencia a la tracción de la fibra y se expresa en centinewton por unidad de título, este caso, tex [cN/tex].
- Elasticidad y Elongación
Estas dos propiedades son muy importantes en los procesos posteriores a la fabricación del hilo para usos en tejidos planos como Trama y en Urdido; Teñido de hilos índigo y Engomado para conseguir un residual de elongación que permita absorber el trabajo y esfuerzos a los que se someterán los hilados en Tejeduría. Además tienen inferencia en las fases de Preparación y Acabado de tejido para definir especificaciones y estabilidad dimensional sobre producto final.
Existen diferencias entre Elasticidad y Elongación.
La Elongación es el alargamiento que resiste la fibra hasta la ruptura. Es decir, cuánto se estira el material hasta la carga de ruptura y se expresa como porcentaje [%].
La Elongación además, define materiales plásticos que son los que pueden deformarse bajo efecto de una carga y los materiales elásticos que se deforman y una vez que se retira la carga, retornan a sus dimensiones previas totalmente o parcialmente.
Por lo tanto la Elasticidad es la propiedad de la fibra para recuperar su longitud original total o parcial, luego de ser sometida a una carga de estiraje de un determinado porcentaje, siempre inferior a la Elongación de ruptura. Se expresa en unidades de longitud o porcentaje. Ejemplos:
a. Elongación (Li: Longitud inicial, antes de aplicar carga; Lf: Longitud final, cesa la aplicación de la carga)
b. Elongación y Elasticidad (Li: Longitud inicial; Le: Longitud de elongación; Lf: Longitud final)
c. Elongación y Elasticidad (Li: Longitud inicial; Le: Longitud de elongación; Lf: Longitud final)
Tabla 2: Comparativa: Tenacidad en seco (ambientado a 20°C y 65% H); Tenacidad en Húmedo (a 20°C y 95% H); Relación Tenacidad en húmedo vs Tenacidad en Seco y Elongación a la ruptura en seco y en húmedo.
- Uniformidad
La uniformidad de la longitud es la relación entre la longitud media y la longitud media superior de las fibras y se expresa en porcentaje.
Si todas las fibras de un fardo tuvieran la misma longitud, la longitud media y la longitud media superior tendrían el mismo valor y el índice de uniformidad sería 100.
En procesos de hilatura de fibras discontinuas de longitud limitada, es indispensable poder disponer de fibras completamente iguales o lo más uniformes en longitud, tal como sucede con las fibras artificiales y sintéticas cortadas de una misma longitud. Para fibras naturales (algodón; lana; lino), que dependen de ciertos factores (clima; especie; nutrición; etc.), una buena uniformidad mejorará la resistencia a la tracción del hilado fabricado.
- Flexibilidad
Una característica obvia de las fibras es su flexibilidad. Su habilidad para doblarse es la base para obtener un tejido flexible con buena caída y mano. Algunas fibras son extremadamente rígidas en esfuerzos de tensión, muchas veces más rígidas que el acero, sin embargo pueden ser flexibles para transformarse en varias formas que la industria textil ha desarrollado.
Para entender estas propiedades consideraremos los factores que gobiernan la rigidez en flexión de una fibra. Estimando el diámetro medio de una fibra, la rigidez de la fibra podemos calcularla como el segundo momento de inercia asemejándola a una viga circular:
Donde se demuestra que fibras con menor diámetro o finura serán más flexibles que aquellas con mayor diámetro.
- Propiedades Secundarias
- Longitud
La longitud de la fibra discontinua, que puede medirse en milímetros, centímetros o pulgadas, es una propiedad física muy importante en la fabricación de hilos. Es directamente proporcional a la resistencia a la tracción del hilo puesto que las fibras más largas presentan mayor superficie de contacto unas con otras, resultando en un incremento de la tenacidad.
En fibras naturales, el coeficiente de variación de la longitud determinará además la uniformidad.
Tabla 3: Comparativa entre algunas longitudes de fibras según su origen, tipo y clasificación:
- Finura
La finura o el diámetro de las fibras es una propiedad importante porque influye en las características funcionales del hilo y de los tejidos.
Tabla 4: Unidades de finura por tipo de fibra:
En la fabricación de hilos, la cantidad de fibras por sección es directamente proporcional a la irregularidad e inversamente proporcional al Coeficiente de Variación de masa CVm de un hilado. La irregularidad límite de un hilo se calcula como:
K varía según el tipo de fibra: Fibras químicas, K=100; Algodón, K=106; Lana, K=112
Y n, el número de fibras por sección de hilo o material en general se calcula:
Fibras finas permiten un mayor número de ellas por sección transversal de un hilo y a mayor grosor de fibras, menor cantidad.
Fibras finas, otorgan al tejido un tacto suave, mayor resistencia, mayor flexibilidad, mejor caída, aunque una mayor tendencia al pilling.
Las fibras gruesas son más rígidas y ásperas, pueden generar mayor dureza y cuerpo al tejido, además de una mayor resistencia al arrugado.
Tabla 5: Relación entre el diámetro [mm] y el título (dtex y denier) de algunas fibras:
- Hidrofilidad e Higroscopicidad
Algunas de las propiedades más importantes de una fibra textil están estrechamente relacionadas con su comportamiento en diferentes condiciones atmosféricas.
La mayoría de las fibras son higroscópicas, es decir, son capaces de absorber el vapor de agua de una atmósfera húmeda e incorporarla a su contenido y, a la inversa, perder agua en una atmósfera seca. Muchas propiedades físicas de una fibra se ven afectadas por el contenido de agua absorbida: dimensiones; resistencia a la tracción; recuperación elástica; resistencia eléctrica; rigidez; etc.
En forma de tejido, las proporciones de humedad de una fibra juegan un papel importante a la hora de decidir si un tejido no es adecuado para un propósito particular.
Otros factores surgen en los casos en que los detalles estructurales de un tejido pueden modificar el comportamiento aparente de la fibra. Por ejemplo, una tela producida por una fibra hidrófoba, como el poliéster, puede absorber agua a través del efecto capilar en toda su extensión de la superficie de la fibra y el hilo.
La higroscopicidad de un material puede expresarse en términos de Contenido de Humedad. Y Humedad Recuperada (Regain). El Contenido de Humedad siempre es menor que el Regain.
El Contenido de Humedad es el peso del agua en una muestra de fibra expresado como porcentaje del peso de la muestra húmeda (antes de secado):
Donde ph: Peso de la muestra húmeda (antes de secado), (peso de la fibra + peso del agua)
ps: Peso de la muestras seca (peso de la fibra)
El Regain (Humedad Recuperada), es el peso de agua en un material, expresado como porcentaje del peso de la muestra de fibra secada en estufa (mufla):
Podemos relacionar ambas humedades mediante curvas de Humedad Recuperada en función del tiempo, para dos muestras de una misma fibra, una totalmente húmeda y la otra secada en mufla, colocadas en una atmósfera controlada. Pesando las muestras a iguales intervalos de tiempo y calculando las humedades (contenido de humedad y el regain) hasta llegar al punto de humedad de equilibrio, donde ya no existe intercambio de humedad (ganancia o pérdida) con el medio ambiente.
Gráfico 1: Curvas de Humedad x tiempo e histéresis[1]
Se esperaría que después de que las dos muestras lleguen a la humedad de equilibrio, las curvas se encuentren, pero las humedades de equilibrio varían. La muestra que estaba húmeda al principio tiene una humedad más alta al final que la otra muestra, y este efecto se llama histéresis.
Tabla 6: Humedad Recuperada (Moisture Regain) de algunas fibras
- Densidad
Es la magnitud que relaciona el peso de un material con respecto al volumen que ocupa. Las unidades son [g/cm3] o [mg/mm3]
Por el principio de Arquímedes, donde se expresa que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo experimenta un empuje vertical hacia arriba igual al peso del fluido desalojado, podemos calcular la densidad de una fibra textil. Sin embargo, al tener propiedades higroscópicas, el volumen del fluido desalojado, siempre será menor al que ocupe la fibra.
La densidad de una fibra, es una propiedad que influye directamente en la confortabilidad del tejido con el que está confeccionada la prenda, puesto que a mayor densidad de la fibra, más pesada será la prenda.
Tabla 7: Densidad de fibras [g/cm3
- Resistencia a la abrasión
Es la capacidad de una fibra de soportar las fuerzas de frote en el uso diario. Si una fibra es capaz de absorber y disipar eficazmente estas fuerzas sin daño, la fibra muestra resistencia a la abrasión.
Las fibras textiles comunes, utilizadas en la confección de prendas de vestir o en productos para el hogar como cortinas; ropa de cama; baño y mesa; etc., tienen diferente resistencia a la abrasión.
En el ensayo de abrasión es posible determinar la pérdida de fibras después de un determinado número de ciclos de fricción o abrasión, la disminución de la resistencia del tejido por abrasión, o determinar el número de ciclos aplicados, hasta la formación de pilling (pelotitas sobre superficie de tejido) y aparición de agujeros (rotura de hilos del tejido). Se ha observado que los hilos de fibra discontinua siempre sufren más abrasión que los hilos de multifilamento correspondientes, y que el factor principal para evitar el deterioro por abrasión es que la fibra debe tener una alta energía elástica y una buena capacidad de alargamiento.
En una evaluación general de la abrasión de la fibra, podemos afirmar con cierta certeza por ensayos de formación de pilling en laboratorio con equipo de abrasión, que las poliamidas 6.6 y 6 tienen una mejor resistencia a la abrasión. Las fibras de polipropileno y polietileno pueden tener una resistencia cercana a la de las poliamidas. La fibra de poliéster generalmente se considera superada solo por la poliamida. El algodón tiene resistencia media a la abrasión. Como el algodón es más resistente a la humedad que a la sequedad, esta es una ventaja adicional que otras fibras no tienen. La lana, debido a sus altas propiedades de elongación y recuperación, tiene una excelente resistencia a la abrasión.
Las fibras se presentan en el siguiente orden decreciente de resistencia a la abrasión:
Poliamida – Poli olefina – Poliéster – Lino – Seda – La – Acrílico – Algodón – Seda – Viscosa – Acetato.
- Comportamiento a factores externos
- A la luz: Refracción y Birrefringencia
La anisotropía (propiedad de un material que le permite cambiar o asumir diferentes propiedades en diferentes direcciones en oposición a la isotropía) de una fibra se expresa de varias maneras, por ejemplo, en la distinta capacidad de hincharse en las dos direcciones, en diferentes propiedades ópticas; lustre; opacidad; birrefringencia; distinta absorción de la luz; dicroísmo; dependiendo de si la luz vibra a lo largo del eje de la fibra o perpendicularmente a él.
Para conocer las propiedades de refracción de las fibras, podemos medir índices de refracción paralelos al eje y perpendiculares o transversales. La birrefringencia n (refracción en dos direcciones perpendiculares en materiales anisótropos) es la mayor diferencia entre los índices de refracción ordinario o paralelo al eje (no) y extraordinario o transversal al eje (ne), lo que se traduce en una diferencia de velocidades de los haces de luz al viajar por el interior de estas.
Tabla 8: Índices de refracción y birrefringencia de algunas fibras:
- Acción de la luz solar y las condiciones ambientales.
Bajo la acción de la luz, la celulosa es oxidada por el oxígeno atmosférico para formar oxicelulosa. Esto provoca una reducción considerable en la resistencia a la tracción y la viscosidad de la fibra, y un aumento en la cantidad de cobre y yodo en la celulosa que la compone.
Tabla 9: Exposición a la luz solar directa hasta la reducción de 50% de la resistencia a la tracción
- A microorganismos
Las fibras celulósicas con humedad superior al 9% y almacenadas en un ambiente con humedad relativa superior al 75-85% de humedad, pueden ser atacadas por bacterias y hongos.
Los microorganismos que degradan la celulosa que se encuentran con frecuencia son las siguientes bacterias: Bacillus coli; Bacillus welchii; Staphylococcus aureus y hongos como Aspergillus y Penicillium.
En la primera etapa, la degradación por hongos se manifiesta por manchas de diferentes colores, dependiendo de la especie de hongo. Por otro lado, el desarrollo de bacterias no suele provocar una aparente modificación del material, incluso en el caso de una descomposición acentuada. Los microorganismos causan primero la hidrólisis de la celulosa, con la formación de azúcares simples (mono-sacáridos) a glucosa, y luego la fermentación de los productos de hidrólisis.
Los microorganismos aeróbicos hacen que la glucosa se oxide con la formación de dióxido de carbono y agua. La acción de diferentes especies de bacterias anaeróbicas puede variar. Algunos provocan la llamada “fermentación de metano”, que descompone la celulosa en metano y dióxido de carbono; otros provocan “fermentación hidrógeno”, con la formación de hidrógeno, dióxido de carbono y ácidos grasos de cadena corta.
La fibra atacada por microorganismos se vuelve soluble en álcalis y la pérdida de peso de las fibras atacadas por bacterias y hongos puede llegar al 17,5%. Un buen reactivo para determinar la degradación de tejidos por microorganismos es el colorante Brilliant Blue FCF. Las manchas afectadas se detectan por su coloración más intensa.
Las fibras proteicas (lana y seda), en determinadas condiciones, pueden ser atacadas por bacterias y hongos. La lana y los pelos son mucho más resistentes al ataque microbiano que la celulosa.
Las fibras de acetato son menos susceptibles a la acción bacteriana que las fibras celulósicas.
- Comportamiento Térmico e Inflamabilidad
En su mayor parte las fibras textiles se componen de materiales poliméricos orgánicos que contienen carbono y arden o encienden con una llama u otra fuente de ignición.
En general, la estructura química de una fibra determina su inflamabilidad, y algunos acabados textiles apropiados pueden reducirla.
La combustión de fibras textiles está relacionada con su Índice Limitante de Oxígeno LOI (limiting oxygen index), que indica la mínima concentración de oxígeno expresada en %, que ayuda a mantener la combustión de un polímero. Se mide pasando una mezcla de oxígeno y nitrógeno sobre una muestra en llamas y reduciendo el nivel de oxígeno hasta alcanzar un nivel crítico. Dado que el contenido de oxígeno en el aire es de alrededor de 21%, es evidente que todas las fibras con un LOI por debajo de este nivel se queman con facilidad, mientras que aquellas con un alto LOI tenderán a no quemar. La tabla 10[1], muestra el LOI de algunas de las fibras más utilizadas en la industria textil, y las temperaturas correspondientes previas a la medición, para cada transformación física: de vidrio o ablandamiento (Tg); de fusión (Tm), de degradación (Td) y de ignición (Tc) y una clasificación por inflamabilidad.
Tabla 10
- Solubilildad
La mayoría de las fibras se disuelven ante un agente químico específico (o varios de ellos, mientras son inalterables frente a otros. Por lo tanto, dos fibras distintas pueden tener diferentes comportamientos en presencia de ácido, bases y solventes orgánicos.
Tanto la Solubilidad como su comportamiento Térmico e Inflamabilidad, sumado a la observación microscópica, son propiedades y método que utilizan para la identificación de cualquier fibra textil, como los procedimientos normalizados IRAM 7870 – Fibras e hilados textiles. Mezclas binarias de fibras. Análisis químico cuantitativo e IRAM 7873 – Fibras e hilados textiles. Análisis cualitativo de fibras.
La tabla 11, muestra la solubilidad y el comportamiento de las fibras sometidas a un agente químico con concentraciones y temperaturas determinadas y un tiempo de exposición de reacción.
Referencias para leer la tabla:
S: Soluble
I: Insoluble
P: forma masa plástica
SP: soluble o forma masa plástica
SE: soluble, excepto por un tipo de fibra modacrílico caracterizada por su baja inflamabilidad e inserciones líquidas visibles en su sección transversal.
N: Poliamida 6 es soluble, Poliamida 6.6 es insoluble
*: Soluble a 20° C sin masa plástica
**: Novoloid se torna rojo
Patricio Gabriel Arluna
Responsable de Investigación, Desarrollo e Innovación Argentina