Le fibre di acetato di cellulosa sono un tipo di fibra sintetica derivata dalla cellulosa. Sono una delle prime fibre sintetiche mai sviluppate e un tempo erano ampiamente utilizzate in varie applicazioni. Sono realizzate trattando la cellulosa con acido acetico e anidride acetica per creare acetato di cellulosa, che viene poi disciolto in un solvente e filato in fibre tramite un processo di filatura a secco.
Sommario
1. Proprietà della fibra di acetato di cellulosa
La viscosità della soluzione di filatura (dope) e la filtrabilità sono importanti per la produzione di fibre di acetato di cellulosa. La viscosità del dope è correlata al grado di polimerizzazione, influenzando la resistenza della fibra, l’allungamento e la distribuzione del gruppo acetato lungo la catena di cellulosa.
I piccoli fori della filiera necessitano di una buona filtrazione delle particelle insolubili, principalmente fibre di cellulosa o gel non completamente acetilati, che possono ostruire le filiere.
Le fibre secondarie e triacetate condividono proprietà fisiche simili (Tabella 1), con densità inferiori a quelle della fibra di rayon viscosa e paragonabili alla lana. I filati tessili richiedono fibre con colore minimo.
| Proprietà | Acetato secondario | Triacetato |
|---|---|---|
| Resistenza (cN/dtex) | 1,0 – 1,5 | 1,0 – 1,5 |
| Allungamento (%) | 25 – 30 | 25 – 30 |
| Densità (g/cm³) | 1,33 | 1,30 |
| Assorbimento di umidità (%) (65% umidità relativa, 20°C) |
6 – 6,5 | 4 – 4,5 |
| Capacità di ritenzione idrica (%) | 25 – 28 | 16 – 17 |
| Punto di fusione (°C) | 225 – 250 | Decomposizione a 310 – 315 |
| DP | 300 | 300 |
Le reazioni chimiche assomigliano a quelle degli esteri organici. Acidi e alcali forti idrolizzano l’acetato di cellulosa, che è sensibile agli agenti ossidanti forti; tuttavia, le soluzioni di ipoclorito e perossido non hanno alcun impatto.
Le differenze di tintura derivano da disparità nelle proprietà di rigonfiamento. Le fibre di acetato di cellulosa richiedono coloranti dispersi in acqua a temperature di ebollizione, in genere con l’assistenza di un trasportatore. I trasportatori facilitano il rigonfiamento delle fibre e migliorano l’assorbimento del colorante.
Questo processo integrato garantisce la solidità del colore. Le fibre di triacetato presentano proprietà superiori di lavaggio e usura grazie alla loro maggiore stabilità dimensionale e resistenza alle pieghe.
2. Materie prime
La polpa di legno è la principale fonte di cellulosa per la produzione di fibre di acetato. Possono essere utilizzate specie di legno tenero (conifere) o di legno duro (decidue), lavorate tramite il metodo di polpaggio al solfito con estrazione alcalina a caldo o il processo al solfato preidrolizzato (Kraft) con estrazione caustica a freddo.
Entrambi i metodi mirano a rimuovere lignine ed emicellulose, ottenendo così polpe di legno purificate contenenti oltre il 96% di α-cellulosa. I fattori economici hanno reso obsoleti i linter di cotone ad alta purezza in questo ambito.
Le fibre di acetato di alta qualità necessitano di polpe di legno con caratteristiche specifiche. Buone proprietà di rigonfiamento sono fondamentali per garantire un’esposizione uniforme della cellulosa al catalizzatore e all’agente di acetilazione durante la lavorazione. Inoltre, la polpe dovrebbe produrre una soluzione filabile senza fibre e gel per una facile filtrazione.
3. Produzione di fibre di acetato di cellulosa
La produzione segue i principi generali delineati nell’articolo sull’acetato di cellulosa, con differenze fondamentali. Inizialmente, l’acido solforico catalizza la formazione di solfatoestere di cellulosa, che viene poi sostituito da gruppi acetile durante l’acetilazione.
L’idrolisi riduce ulteriormente i gruppi solfato rimanenti. Tuttavia, qualsiasi solfato residuo deve essere neutralizzato con stabilizzanti come sali di magnesio per prevenire la degradazione indotta da calore e umidità tramite rilascio di acido solforico.
L’acetato secondario utilizza l’acetone come solvente, mentre il triacetato impiega il 90% di diclorometano e il 10% di metanolo/acido acetico (filatura a umido). La viscosità della soluzione di filatura, con il 20-30% di acetato di cellulosa, varia da 300 a 500 Pa·s a 45-55 °C. Filtrazione e deaerazione sono fasi importanti prima della filatura.
La filatura a secco è dominante, con la filatura a umido occasionalmente utilizzata per il triacetato. Le filiere hanno 20-100 fori per il filamento e fino a 1000 per il tow. L’evaporazione del solvente avviene in una colonna di filatura da 4-6 m a 80-100 °C utilizzando un flusso d’aria controcorrente.
Le fibre vengono allungate per aumentare la resistenza mentre sono in uno stato plastico. La filatura a fusione non è commercialmente valida a causa della sua limitata stabilità al calore.
Le fibre di triacetato presentano una struttura core-skin a causa della distribuzione altamente regolare dei gruppi acetile. La termofissazione (cristallizzazione) a 180-200 °C migliora le proprietà di lavaggio e usura.
Questo processo richiede diversi minuti a 180 °C o pochi secondi a 220 °C per ottimizzare la ritenzione idrica (10%) e l’assorbimento (2,5%). Durate più brevi sono inefficaci e periodi più lunghi deteriorano le proprietà meccaniche del tessuto.
4. Utilizzi delle fibre di acetato di cellulosa
La combinazione di fibre di acetato di cellulosa o triacetato con nylon o poliestere offre una miscela sinergica di proprietà ideale per varie applicazioni di rivestimento. Ciò compensa le caratteristiche fisiche più deboli delle fibre di acetato, mantenendone al contempo le qualità desiderabili, come l’elevato assorbimento di umidità e la morbidezza simile alla seta.
Grazie alla loro miscela unica di proprietà idrofobiche e idrofile, le membrane semipermeabili realizzate con fibre di acetato di cellulosa vengono utilizzate per la desalinizzazione dell’acqua mediante osmosi inversa.
Le fibre cave di acetato di cellulosa trovano impiego anche nelle applicazioni di separazione dei gas e di emodialisi.
La natura non tossica dell’acetato di cellulosa, la biodegradabilità e la dipendenza da polimeri naturali rinnovabili (cellulosa) aprono la possibilità di promettenti applicazioni future in vari campi.
Riferimento
- Cellulose Esters; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a05_419.pub2
