La celulosa es el polímero orgánico natural más abundante de la Tierra, ya que, como se ha dicho, es un constituyente principal de los vegetales. Tiene muchísimas aplicaciones, sobre todo en las industrias papelera y textil, pero también en las de alimentos y bebidas como agente emulsionante y espesante, o en el campo biomédico como relleno inactivo o excipiente de fármacos, o en el de la construcción y el de los bicombustibles, ya que a partir de celulosa se puede obtener etanol.
La celulosa pertenece a la familia de los polisacáridos y tiene por fórmula (C6H10O5)n. Consiste en cadenas lineales de cientos a muchos miles de unidades de D-glucosa unidas entre sí por enlaces β (1®4) (figura 9.2-izqda., abajo). En las plantas es un componente estructural fundamental, ya que se configura en forma de fibras que constituyen las paredes de las células vegetales. La fibra del algodón (fig. 9.5-dcha.) tiene un altísimo contenido de celulosa (~90%). También es abundante este biopolímero en el cáñamo, el lino, el yute o el ramio. La madera tiene entre un 40 y un 50% de celulosa.
Las fibras se forman al interaccionar las cadenas macromoleculares individuales por fuertes enlaces de hidrógeno entre sus grupos OH (figura 9.5-izqda.), existiendo también fuerzas de Van der Waals. La linealidad de las cadenas y su buena ordenación explican que estas fibras puedan tener una estructura cristalina bastante bien definida.
La celulosa es polimórfica, es decir, puede presentar varias formas cristalinas. La nativa en la madera es básicamente del tipo llamado celulosa I, pero también existen los tipos II, III o IV, que a su vez admiten subtipos que se etiquetan como a o b. La celulosa I se puede transformar en la IV y posteriormente en la II mediante un procedimiento denominado mercerización; se aplicó por primera vez al algodón y consiste en tratarlo con una disolución de hidróxido de sodio, lo que hace que las hebras se hinchen, dando al tejido más resistencia y brillo y facilitando su tintado. La celulosa II es menos cristalina que la I y es mejor material para confeccionar textiles.
La celulosa es el compuesto de partida para crear otros materiales muy útiles como la nitrocelulosa (o celuloide), la carboximetilcelulosa (aditivo alimentario, soluble en agua), el celofán o el rayón. Estos dos últimos materiales son celulosas regeneradas que tienen una estructura diferente a la original. Para obtenerlos, primero se trata la celulosa con NaOH y disulfuro de carbono, consiguiéndose así xantato de celulosa. Este, disuelto en más NaOH, forma la llamada viscosa, material que se extruye a través de pequeños orificios (como los de la alcachofa de una ducha) en un baño de ácido sulfúrico, lográndose así hilos de rayón; si la extrusión se hace a través de una ranura se obtienen láminas de celofán. Un tipo de rayón con excelentes propiedades es el Lyocell. En la imagen 9.6 se muestran dos objeto hechos con esta fibra.
Actualmente se están fabricando materiales de nanocelulosa, ya sea en forma de nanocristal o nanofibra (existe también una variedad llamada nanocelulosa bacteriana, producida por bacterias). Estos materiales tienen propiedades muy útiles en ingeniería. Por ejemplo, la nanocelulosa cristalina posee una extraordinaria rigidez, mejor que la de la fibra de vidrio y comparable a la del kevlar (una poliamida sintética que se usa para fabricar chalecos antibala, entre otras aplicaciones).
Las fibras naturales celulósicas de muchas plantas (como el algodón, el lino o el esparto) tienen la propiedad de que se pueden hilar con facilidad. El proceso de la hilatura consiste en retorcer varias fibras cortas (de pocos centímetros) para unirlas y producir una hebra continua. La cohesión se ve favorecida por el hecho de que las fibras suelen presentar una superficie rugosa. El retorcido de las fibras se hacía inicialmente de forma manual (como en la fabricación de cuerdas por los pueblos indígenas) y más tarde con el huso de hilar, la rueca y otras máquinas especializadas. En cuanto a las fibras artificiales, el hilado se realiza más bien por extrusión, ya sea puramente mecánica o con ayuda de la electricidad, en cuyo caso el método se llama electrohilado.
La técnica del electrohilado consiste en extruir una disolución (o una masa fundida) del polímero que se quiere hilar valiéndose para ello del dispositivo eléctrico que se ilustra en la figura 9.7-izqda. Se aplica una diferencia de potencial de miles de voltios entre una microaguja (hilera) por donde va a salir el fluido polimérico y una placa colectora que se coloca debajo, conectada a tierra. El fluido situado en la hilera se carga electrostáticamente y experimenta una repulsión que vence a la tensión superficial, estirándose en forma de cono (cono de Taylor). Como existe cohesión entre las moléculas del polímero, unas “tiran” de otras y se crea un chorro. Este se dirige hacia la placa colectora y en su vuelo se va solidificando gradualmente. Una fibra polimérica continua de muy pequeño diámetro (10–700 nm) queda depositada en la placa colectora.
No es fácil electrohilar celulosa directamente porque es un material no fusible y además es insoluble en la mayoría de los disolventes comunes, y los que sí la disuelven no son apropiados para el electrohilado porque producen fibras no uniformes o bien son nocivos para el medio ambiente. No obstante, algunos líquidos iónicos (apartado 9.1), como el acetato de 1-etil-3-metilimidazolio, sí son adecuados. Otra opción es partir de derivados solubles, como el acetato de celulosa, cuya estructura química es la misma que la de la celulosa, pero con uno de los OH de cada anillo que se ve en la figura 9.2-izqda. sustituido por H3C–COO–. Posteriormente se puede regenerar la celulosa tratando el material con hidróxido de sodio[6]. Se puede incluso electrohilar un papel higiénico disolviéndolo previamente en ácido trifluoroacético[7]. También se electrohila la celulosa contenida en residuos agrícolas.
Las nanofibras electrohiladas de celulosa tienen muchas aplicaciones gracias a propiedades como su gran superficie específica y su hidrofilia. En medicina se usan en vendajes antibacterianos para heridas o en ingeniería de tejidos celulares. Se fabrican con este material desde mascarillas faciales cosméticas hasta membranas de ultrafiltración de agua muy efectivas debido a que se pueden adaptar a cualquier requerimiento por la capacidad de funcionalización química del material[8].
También se usa en cromatografía. La cromatografía es una técnica de separación de sustancias que están mezcladas, normalmente con la finalidad de poder analizarlas químicamente una a una. Aunque hay diferentes tipos de cromatografía, ilustraremos el funcionamiento de la técnica para el caso de la llamada cromatografía sólido-líquido. Consiste en rellenar una columna (podría ser una simple bureta) de un material que constituye una fase estacionaria (ya que no se mueve). Sobre él se vierte el líquido que contiene la mezcla de componentes que queremos separar. Cada uno de estos componentes queda adsorbido en la fase estacionaria con mayor o menor fuerza. Seguidamente se añade un disolvente (eluyente, fase móvil) que tiende a desorber a los compuestos adsorbidos, pero lo hará en distinto grado según la afinidad de cada compuesto tanto por la fase estacionaria como por la móvil. Esto se traduce en que cada componente de la mezcla bajará a distinta velocidad por la columna. De este modo pueden separarse todos los componentes. El procedimiento se ilustra en la figura 9.8.
Las interacciones entre la fase estacionaria adsorbente y el adsorbato (sustancia que se adsorbe) pueden ser de muy variada naturaleza: electrostáticas, enlaces de hidrógeno, interacciones dipolo-dipolo, fuerzas de Van der Waals… Los eluyentes polares (por ejemplo, el metanol) tenderán a arrastrar mejor a los componentes polares de la mezcla, y lo análogo sucede con los eluyentes apolares (como el tetracloruro de carbono). Pues bien, la celulosa es uno de los adsorbentes que se emplea en cromatografía sólido-líquido. Como ejemplo, se ha usado celulosa electrohilada como relleno de columnas para separar proteínas por la técnica denominada de afinidad de colorantes, basada en la facilidad con que ciertas sustancias colorantes se unen a diversas proteínas[10].
También se usa en cromatografía celulosa electrohilada funcionalizada con dietilaminoetilo, que es un resto cargado positivamente. Las cargas de este material celulósico permiten llevar a cabo la llamada cromatografía de intercambio iónico, que se usa para separar proteínas o ácidos nucleicos[11]. Esta técnica consiste en que el material de relleno de la columna capta una especie con carga positiva (o negativa) y a la vez libera otra que posee, la cual también tiene carga positiva (o negativa). Es decir, se produce un intercambio de iones.
Otra técnica de separación en la que se emplea celulosa electrohilada es la cromatografía de capa fina, que no se realiza en columna, sino en una superficie plana. Las nanofibras de celulosa se depositan sobre una placa rígida (plástico, vidrio, metal) rectangular. Cerca de un extremo de la placa se vierte una gota de la mezcla cuyos componentes se quieren separar. El extremo se introduce en un eluyente que asciende por capilaridad a través de la maraña de nanofibras de celulosa y en su avance arrastra en mayor o menor grado a los componentes de la mezcla, separándolos. La separación cromatográfica se hace mejor si las fibras están alineadas. Se puede conseguir una mejor alineación en el electrohilado usando un colector cilíndrico que se hace rotar a altísimas velocidades; también empleando un segundo campo eléctrico o por otros métodos especiales[12]. Aunque la orientación que se consigue no es perfecta, estas técnicas pueden permitir que la mayoría de las fibras tengan más o menos la misma dirección. La celulosa electrohilada también se puede usar para crear materiales compuestos (tema 8). Por ejemplo, se han recubierto nanofibras electrohiladas de celulosa de algodón con dióxido de cerio para dar al nuevo material propiedades de protección contra la radiación ultravioleta.
[1] Imagen: Cellulose spacefilling model.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Cellulose_spacefilling_model.jpg&oldid=699950596.
[2] Imagen: Cotton.JPG. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Cotton.JPG&oldid=485990899.
[3] Imágenes: Lyocell Vital fabric.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Lyocell_Vital_fabric.jpg&oldid=488814597.
y Patagonia, OutDoor 2018, Friedrichshafen (1X7A0346).jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Patagonia,_OutDoor_2018,_Friedrichshafen_(1X7A0346).jpg&oldid=750764974.
[4] Imagen adaptada de G. G. Wallace et al. Nanoscale 43 (2012) 4327-4347. https://doi.org/10.1039/C2NR30758H
[5] Imagen: W. Farahhanim Wan Fathilah y R. Othaman. Sains Malaysiana 48 (2019) 1459-1472. https://doi.org/10.17576/jsm-2019-4807-15.
[6] S. R. Dods et al. J. Chromatogr. A 1376 (2015) 74-83. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2014.12.010.
[7] A. G. Kiper et al. J. Mater. Cycles Waste Manag. 22 (2020) 1999-2011. https://doi.org/10.1007/s10163-020-01085-4.
[8] W. Farahhanim Wan Fathilah (op. cit.).
[9] Imagen: J. M. Gavira Vallejo y A. Hernanz Gismero. Técnicas Fisicoquímicas en Medio Ambiente. UNED (2011).
[10] M. Miyauchi et al. J. Chromatograph. Separat. Techniq. 2 (2011) 1000110. https://doi.org/10.4172/2157-7064.1000110.
[11] S. R. Dods (op. cit.).
[12] S. Ramakrishna et al. An introduction to electroscpinning and nanofibers. World Scientific (2005).
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/ .
.jpg&oldid=750764974){kind=link}