En el lenguaje ordinario, por fibra se entiende filamento. En la naturaleza hay fibras, es decir, objetos que tienen forma filamentosa. Las fibras naturales o son hilos (como la seda) o se pueden hilar para formar posteriormente tejidos. La mayoría de las fibras naturales son de naturaleza vegetal, pero también la hay animales e incluso minerales. En la figura 9.1 se muestra una clasificación de fibras naturales en función de su origen.
Como se indica en la figura 9.1, las fibras animales están hechas de los polímeros (o biopolímeros en este caso) que llamamos proteínas o, químicamente hablando, poliamidas (su estructura química se puede ver en la figura 9.2-izqda., arriba). Las fibras vegetales consisten fundamentalmente en macromoléculas de celulosa y lignocelulosa. La celulosa es un polisacárido cuyo monómero es el carbohidrato o azúcar β-glucosa (figura 9.2-izqda., abajo). La lignocelulosa se compone de celulosa, hemicelulosas y ligninas. Las hemicelulosas son heteropolisacáridos basados en monómeros de xilosa, arabinosa, galactosa, manosa, glucosa, ácido glucurónico…; en la figura 9.2-dcha. se muestra un ejemplo. Y las ligninas son estructuras complejas muy reticuladas y diversas según la especie vegetal, pero se podrían definir como macromoléculas basadas en el fenilpropano (H5C6–CH2–CH2–CH3).
Las fibras naturales son un recurso abundante y renovable, por lo que su costo es relativamente bajo en comparación con las artificiales (nailon, aramida, poliéster, acrílicas, poliolefínicas, etc.). Además, son biodegradables, lo que reduce significativamente el problema de los residuos. Son flexibles, de baja densidad y con propiedades mecánicas bastante buenas. Así, la fibra de linaza tiene una tensión de rotura de entre 500 y 1500 MPa y un módulo de Young de 28 GPa, valores que son relativamente altos si tenemos en cuenta que los de las superresistentes aramidas son, respectivamente, 3000-3150 MPa y 63-67 GPa.[3]
Continuamente se intenta mejorar estas propiedades alterando la estructura de las fibras naturales. Una de las estrategias que ha resultado exitosa es la soldadura. La estructura microscópica de muchas fibras consiste, a su vez, en fibras de diámetro menor (microfibras). Si algunas o muchas de estas microfibras se separan del haz principal, el conjunto pierde propiedades mecánicas. No obstante, existe un método para pegarlas unas a las otras o soldarlas. La figura 9.3 esquematiza el proceso.
El efecto se consigue simplemente sumergiendo la fibra en un líquido iónico como, por ejemplo, acetato de 1-etil-3-metilimidazolio y calentando ligeramente[5]. Los líquidos iónicos, como su nombre indica, está formados por iones, los cuales normalmente son muy voluminosos. Esta circunstancia mantiene muy alejados entre sí al catión y al anión, por lo que la atracción es menor que en las interacciones iónicas convencionales. La baja interacción entre iones determina que el compuesto sea líquido en vez de sólido. En la imagen 9.4-izqda. se muestran cationes y aniones habituales en líquidos iónicos y en la 9.4-dcha. una combinación concreta de un catión y un anión: el mencionado acetato de 1-etil-3-metilimidazolio.
Los líquidos iónicos son buenos disolventes de biopolímeros muy variados como la celulosa, la seda, la quitina o el quitosano. La disolución completa de los biomateriales desnaturaliza las estructuras nativas de tal manera que es difícil, si no imposible, reconstituirlos en su forma prístina, con sus propiedades originales. Pero se puede conseguir controlar las condiciones de solvatación para que no se produzca una disolución completa y en cambio se consiga que las macromoléculas se movilicen y reorganicen creando nuevos enlaces de hidrógeno inter e intramoleculares. De esta manera, las microfibras se fusionan entre sí y los materiales tejidos se vuelven varios órdenes de magnitud más fuertes, duros y rígidos, reteniéndose muchas de las propiedades físicas y químicas nativas ya que las micro y mesoestructuras se conservan en gran medida, según se ha comprobado por difracción de rayos X y espectroscopía infrarroja. El núcleo de la microfibra no se altera; solo el exterior. La transformación se puede modular mediante el control de variables como la naturaleza del disolvente (el líquido iónico), la temperatura y el tiempo. El método funciona tanto para fibras celulósicas como para proteínas. Permite crear estructuras nuevas a partir de materiales económicos y renovables como las fibras de algodón, el cáñamo o la seda. El tratamiento mejora estos materiales de cara a ciertas aplicaciones. Por ejemplo, la lignocelulosa que se usa como soporte de catalizadores que contienen Pd puede someterse al método de soldadura de fibra y así aumentan sus propiedades mecánicas. La técnica ha permitido también transformar fibras en estructuras catalíticas para eliminar nitratos en la purificación de agua y mejorar los procesos de teñido o de creación de textiles aptos para el almacenamiento de energía (textiles electrónicos, apartado 9.3)[6],[7].
[1] Imagen: M. A. Al-Maadeed y S. Labidi. Recycled polymers in natural fibre-reinforced polymer composites. En A. Hodzic y R. Shanks (eds.). Natural fibre composites (cap. 4). Woodhead Publishing Limited (2014).
[2] Imagen: Xylan.svg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Xylan.svg&oldid=452083066.
[3] Al-Maadeed (op. cit.).
[4] Natural fiber welding. Google Patents. https://patents.google.com/patent/US8202379B1/en.
[5] L. M. Haverhals (op. cit.).
[6] D. P. Durkin et al. ACS Sustainable Chem. Eng. 4 (2016) 5511-5522. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6b01250.
[7] L. M. Haverhals et al. Natural Fiber Welding. En: M. B. Shiflett (ed.). Commercial applications of ionic liquids (cap. 9). Springer (2020).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
