Historia de los polímeros: el rayón y el celofán

La química basada en la celulosa fue una de las principales bases para el nacimiento de la industria de los polímeros. Pero como hemos comentado antes, los compuestos iniciales a base de nitrato de celulosa eran altamente inflamables e, incluso, explosivos, lo que limitaba su uso.

A medida que los químicos descubrían soluciones para estos problemas, se expandía el uso de esta química y las formas como se podía usar el material. Una de estas sustancias que tuvo un impacto inmenso en la primera mitad del siglo 20 fue el celofán.

La inspiración para desarrollar el celofán la tuvo el químico suizo Jacques Brandenberger. Según cuenta la historia, en el año 1900, mientras cenaba en un restaurante, Brandenberger observó que el vino tinto derramado manchaba un mantel blanco y comenzó a pensar en desarrollar una capa protectora.

El material resultante se basó en la química de la celulosa y usó un avance que había llegado en 1892, cuando Charles Cross y Edward Bevan hicieron reaccionar la celulosa de madera con sosa cáustica y disulfuro de carbono para producir un líquido viscoso dorado que se conoció como viscosa.

Aunque los primeros trabajos con el material produjeron artículos similares a los hechos de celuloide, como peines y mangos, Cross y Bevan se centraron en hacer una fibra útil para la industria textil.

Los experimentos iniciales produjeron una fibra demasiado frágil para proporcionar un sustituto útil de las fibras naturales. Sin embargo, a través de una serie de accidentes afortunados se descubrió que la viscosidad del material aumentaba con el tiempo, un proceso que se conoció como maduración.

El resultado fue un producto mucho más fuerte y dúctil que podía hilarse fácilmente y que más tarde se llamó rayón.

Pero esta forma de rayón, conocida como xantato de celulosa, era mucho menos inflamable que el nitrato de celulosa usado para hacer la “seda de suegra” que mencionamos en la parte 3 de esta serie.

Relevancia del celofán en la industria

La viscosa fue el material que Brandenberger eligió para revestir la tela de algodón y hacerla resistente a las manchas. También se encontró con los problemas de una estructura que era muy rígida y quebradiza. Durante varios años trabajó en la fabricación de películas más delgadas del xantato de celulosa, y el resultado final fue el denominado celofán.

En 1913, Brandenberger había decidido que hacer la película ofrecía una mejor oportunidad de negocio que producir un revestimiento de tela, y había desarrollado una máquina que podía producir largas secciones de la película transparente con el grosor deseado.

Desafíos en la implementación del celofán

Muy consciente de los problemas de inflamabilidad asociados con la película de celuloide para uso cinematográfico, Brandenberger primero intentó reemplazar el celuloide en este mercado con su celofán. Sin embargo, pronto descubrió que el celofán se deformaba gravemente a temperaturas elevadas y que era demasiado duro para permitir la formación de los agujeros de rueda dentada precisos en la película.

Pero el celofán resultó ser un material de envoltura ideal. Transparente, ligero y resistente, era muy superior a los materiales de envoltura comúnmente utilizados en la época, como el papel de gelatina y el papel de aluminio. Los primeros productos que se envolvieron con celofán fueron perfumes, barras de jabón y pastas de dientes.

El objetivo de Brandenberger era apuntar a la industria alimentaria, pero la Primera Guerra Mundial desvió gran parte de la producción hacia las máscaras de gas debido a la impermeabilidad del material al gas venenoso, la nueva arma de destrucción masiva. También se utilizó como apósito quirúrgico transparente para heridas.

Después de que terminara la Primera Guerra Mundial, se reanudaron los esfuerzos para expandir el mercado de consumo. En 1912, Whitman’s Chocolates ya había adoptado el celofán como material de envoltura para algunos de sus chocolates, pero a medida que el uso del material se expandía a productos horneados y artículos como el tabaco a principios de la década de 1920, se hizo evidente que, si bien el celofán era una excelente barrera contra el gas venenoso, no era una buena barrera contra la humedad.

Avances químicos y soluciones al problema de humedad

Durante este intervalo, la compañía francesa iniciada por Brandenberger vendió los derechos del celofán a DuPont, y un químico de DuPont desarrolló la solución al problema de la barrera contra la humedad.

William Hale Charch creó un recubrimiento basado, irónicamente, en nitrocelulosa. También incorporó un plastificante para adaptar las propiedades del recubrimiento, y una cera que contribuyó a la barrera contra la humedad.

Este desarrollo, alcanzado en 1927, duró tres años y fue el comienzo de una larga historia de innovación química de DuPont. Una vez resuelto el problema de la barrera contra la humedad, el uso del celofán se disparó, para convertirse en uno de los productos más exitosos y conocidos de DuPont.

El papel del acetato de celulosa en la innovación

Durante este mismo periodo, otra forma de celulosa modificada químicamente sentaba las bases para el desarrollo de uno de los primeros termoplásticos.

El acetato de celulosa había sido sintetizado por primera vez en 1865 por el químico francés Paul Schützenberger, quien hizo reaccionar la celulosa con anhídrido acético. Si bien el acetato de celulosa es fundamentalmente un termoplástico, no habría sido procesable por fusión, ya que su temperatura de descomposición es más baja que su temperatura de reblandecimiento. Sin embargo, las formas solubles de acetato de celulosa fueron desarrolladas en 1903 por los químicos alemanes Arthur Eichengrün y Theodore Becker cuando descubrieron que el material se disolvía en acetona.

Un año más tarde, dos hermanos, Camille y Henri Dreyfus, comenzaron a trabajar en un laboratorio de Basilea, Suiza. Su atención se centró en el acetato de celulosa y desarrollaron una película que se convirtió en el sustituto menos inflamable de la película de celuloide que el celofán no había podido proporcionar.

También crearon una laca conocida como droga de aviones, que se usó para recubrir los aviones de tela y madera de la época, con el fin de hacerlos resistentes a los efectos de la humedad y el fuego. En 1913, justo cuando se estaba perfeccionando el proceso para hacer celofán, los hermanos Dreyfus establecieron la Compañía Cellonit para elaborar tanto su película como las lacas a base de acetato de celulosa.

Comenzaban a desarrollar un proceso para hacer una fibra a partir de acetato cuando la Primera Guerra Mundial desvió todos sus esfuerzos hacia las lacas de acetato de celulosa.

Establecieron una planta en Derbyshire, Inglaterra, para este propósito. Durante la guerra, Camille Dreyfus fue a Estados Unidos a petición del gobierno para poner en marcha una fábrica de celulosa.

Después de que terminó la guerra, los hermanos Dreyfus reanudaron su desarrollo de una fibra de acetato que llamaron celanese, y el nombre de la compañía británica se cambió a British Celanese en 1923. En 1927, Amcelle, la compañía estadounidense que Dreyfus había fundado, compró la Celluloid Company de Newark, Nueva Jersey, y la compañía pasó a llamarse Celanese Corporation of America.

En 1931, Celanese desarrolló una versión procesable por fusión del acetato de celulosa incorporando la misma clase de productos químicos que los plastificantes utilizados cinco años antes por Waldo Semon para resolver problemas de procesamiento con PVC.

Ese mismo año se descubrió que al reemplazar la mayor parte del anhídrido acético con ácido propiónico era posible hacer propionato de acetato de celulosa (CAP), un compuesto que era más resistente a los impactos y requería menos plastificante para fundirlo.

Otras mejoras se hicieron en 1938 cuando se utilizó el ácido butírico en la reacción para producir butirato de acetato de celulosa (CAB). Este material no solo ofrecía una resistencia mejorada, sino que tenía una resistencia al calor superior a las de CA y CAP.

Celanese ha tenido una larga y rica historia en el mundo de los polímeros, y un par de grados de acetato de celulosa todavía se incluyen entre sus ofertas. Pero la compañía que mantiene una amplia oferta en celulósica lleva el nombre de otro pionero de la era del desarrollo temprano de la celulosa, Eastman. Quizás la aplicación más conocida que continúa hasta hoy sea el mango transparente para destornilladores.

Pero los celulósicos siguen siendo un elemento importante en el mundo de los recubrimientos, pinturas y lacas. Los materiales se utilizan en forma de fibra para ropa y cortinas y son los materiales de elección para los filtros de cigarrillos. Los marcos de los anteojos todavía están hechos de celulósicos. En una línea menos basada en el rendimiento, las cintas de las medallas de premiación están hechas casi exclusivamente de acetato de celulosa, y muchas cartas de juego todavía usan el material.

Los ladrillos de Lego, ahora producidos a partir de ABS, se moldearon originalmente a partir de acetato de celulosa. Y aquellos que todavía hacen presentaciones en un retroproyector, es probable que estén utilizando un material a base de celulosa para sus diapositivas.

El desafío de la sostenibilidad y el regreso a los polímeros basados en celulosa

Los celulósicos han perdido gran parte de su cuota de mercado frente a otros materiales. El celofán fue reemplazado en gran medida por polietileno, polipropileno, PVC y cloruro de polivinilideno (PVdC), otro polímero descubierto por accidente a principios de la década de 1930, esta vez en Dow Chemical. La fibra de acetato de celulosa fue reemplazada por nailon y poliéster.

Resulta interesante que ahora que la industria del plástico se centra en la sostenibilidad y en una economía circular, un polímero que se puede derivar de cualquier cosa que contenga celulosa comienza a recibir un nuevo nivel de atención. En una época en la que los investigadores tratan de hacer polímeros a partir de cualquier cosa que tenga un pedigrí biológico, será interesante ver si volvemos a nuestras raíces.

En el mismo año en el que William Hale Charch resolvió el problema de la barrera de humedad del celofán, otro químico fue contratado por DuPont para realizar investigaciones de materiales básicos. Lideraría un equipo que eventualmente desarrollaría la química asociada con el primer termoplástico de ingeniería legítimo. Esa parte de la historia será el tema de nuestra próxima entrega.