Вулканизированное волокно, также известное как красное волокно, представляет собой ламинированный пластик, состоящий только из целлюлозы . Этот материал представляет собой прочный, упругий, роговидный материал, который легче алюминия , прочнее кожи и жестче большинства термопластиков . Более новый сорт вулканизированного волокна для ламинирования древесины используется для укрепления ламинатов древесины, используемых в лыжах , скейтбордах , опорных балках и в качестве подслоя под тонким деревянным шпоном .
Продукт, очень похожий на вулканизированное волокно, — это кожзаменитель ; однако кожзаменитель изготавливается с использованием другого химического процесса. С 2004 года научное сообщество вновь обрело интерес к этому материалу из-за его возобновляемости и превосходных физических свойств, что дало начало области полностью целлюлозных композитов. [1] Все эти композиты изготовлены из матрицы, состоящей из растворенной или частично растворенной целлюлозы, а армированием остаются целлюлозные волокна. Были исследованы различные растворители, отличные от хлорида цинка , включая гидроксид натрия при низких температурах и ионные жидкости . [2] [3] В то время как первоначальная идея заключалась в использовании длинных армирующих волокон ( рами , лен , вискоза и т. д. ) для придания композитам анизотропных механических свойств, в этой области также исследовалось использование наноцеллюлозы .
Вулканизированное волокно имеет долгую историю в инженерии, начиная с викторианской эпохи. Хотя сейчас существует много материалов, в основном синтетических полимеров, с более высокими характеристиками, волокно широко применялось и до сих пор сохраняет множество применений. Поскольку оно прочнее в тонких секциях между механически жесткими компонентами, а не полагается на свою собственную прочность, его в основном использовали в качестве шайб , прокладок и различных прокладок или деталей для упаковки.
Фибровые шайбы являются одними из самых дешевых конформных эластомерных прокладок для герметизации трубных соединений и общих сантехнических работ. Они слегка разбухают под воздействием воды, обеспечивая хорошее уплотнение. Их также можно использовать с углеводородами, если температура не слишком высокая. В отличие от резины, фибровые шайбовые уплотнения считаются одноразовыми.
Листы фибры легко вырубаются в сложные формы, поэтому они широко используются для изготовления фасонных прокладок. Их можно использовать для герметизации, в качестве теплоизоляторов или в качестве механических распорок.
До разработки современных пластиков в 1930-х годах волокно было стандартным электроизоляционным материалом для многих мелких компонентов. Его можно было легко разрезать по размеру, как в массовом производстве, так и вручную подгонять. Оно было особенно распространено при сборке больших машин, таких как обмотка двигателя.
Британский патент на вулканизированное волокно был получен в 1859 году англичанином Томасом Тейлором. [4] Он получил патент после введения целлулоида в 1856 году и до изобретения вискозного волокна (регенерированной целлюлозы) в 1894 году. В 1871 году Томас Тейлор получил патент США на вулканизированное волокно. [5] [6] Первой организованной промышленной компанией по производству вулканизированного волокна была Vulcanized Fibre Company, первоначально зарегистрированная как корпорация в Нью-Йорке, образованная 19 июня 1873 года с президентом Уильямом Кортни и секретарем Чарльзом Ф. Кобби. [7] Первая корпорация в Нью-Йорке была также найдена в NY City Directory 1873 года [8] , где также были указаны президент Уильям Кортни и секретарь Чарльз Ф. Кобби в 1873 году. С 1873 по 1878 год Vulcanized Fiber Co. имела адрес офиса в Нью-Йорке 17 Dey St., в то время как фабрика находилась в Уилмингтоне, штат Делавэр. Это можно увидеть во многих объявлениях, которые были размещены в различных изданиях в этот период истории. [9] Специальный устав [10] был предоставлен штатом Делавэр в 1873 году, пока корпорация Делавэра не была окончательно зарегистрирована 8 февраля 1875 года [11] , где теперь были указаны президент Уильям Кортни и секретарь Клемент Б. Смит.
В 1884 году компания Courtenay & Trull Co. NY была объединена с компанией Vulcanized Fibre Co. [12] , что дало компании контроль над новым изобретением, получившим торговое название «Gelatinized Fibre».
4 декабря 1901 года в ходе слияния и консолидации компания Vulcanized Fibre Co. [13] изменила свое название на «American Vulcanized Fiber Co.», которая была образована с целью консолидации: Kartavert Mfg. Company, Уилмингтон, Делавэр; American Hard Fibre Company, Ньюарк, Делавэр; Vulcanized Fibre Company, Уилмингтон, Делавэр. и Laminar Fibre Company из Северного Кембриджа, Массачусетс.
В 1922 году название было снова изменено, когда оно было напрямую приобретено National Fibre & Insulation Company из Йорклина, Делавэр (которая также была владельцем Keystone Fibre Co.). Президентом National Fibre Company в то время был Дж. Уоррен Маршалл, который занял тот же пост после объединения в новую компанию «National Vulcanized Fibre Company».
В 1965 году название было снова изменено на NVF Company, чтобы избежать путаницы с течением лет из-за новой и меняющейся линейки продукции. [14]
Водная сила ручьев Пьемонта в Северном Делавэре привела к появлению компаний в бизнесе вулканизированного волокна. С течением лет эти компании реорганизовались и объединились. В 1922 году National Vulcanized Fiber Company стала основным конкурентом Spaulding Fibre, которая начала разрабатывать вулканизированную продукцию в Рочестере, Нью-Гемпшир и Тонаванде, Нью-Йорк , почти через четверть века после того, как эта отрасль зародилась в Делавэре.
Некоторые из компаний, занимающихся разработкой вулканизированного волокна в регионе Уилмингтон, включали Nunsuch Fiber Company, American Hard Fiber Company, American Vulcanized Fibre Company, Continental Fibre Co., Diamond State Fibre Co. и Franklin Fibre Company. В справочнике Post's Pulp and Paper Directory за 1965 год National Vulcanized Fibre Co. была указана как имеющая два завода, производящих тряпичную бумагу для вулканизированного волокна. Они находились в Ньюарке, производя 15 тонн в день; и в Йорклине, производя 18 тонн в день. Это сопоставимо с заводом Spaulding Fibre в Тонаванде , который тогда производил 40 тонн в день (справочник Post). Конкуренты также производили бакелит , но продавали его под разными названиями: Spaulding's назывался Spauldite, а National's был Phenolite, а Iten Industries' Resiten или Itenite.
Процесс начался с бумаги, сделанной из хлопчатобумажной тряпки . До обработки древесной массы и химической древесной массы в середине 19 века, доминирующим источником волокна для изготовления бумаги были хлопчатобумажные и льняные тряпки. Лист хлопчатобумажной тряпки, произведенный для преобразования в вулканизированное волокно, изготавливается как лист, подходящий для пропитки. Бумага изготавливается для пропитки путем исключения любой проклеивающей добавки, либо добавляемой битером, либо наносимой на поверхность. Сегодня большинство листов бумаги, изготовленных для письма, печати и покрытия, имеют внутреннюю ( добавленную битером ) проклейку , обеспечиваемую канифолью , алкилянтарным ангидридом (ASA) или алкилкетеновым димером (AKD), и поверхностную проклейку, обеспечиваемую крахмалом . Лист, изготовленный для пропитки, не будет содержать ни одного из этих химических ингредиентов. Непропитанная пропитывающая хлопчатобумажная бумага, подготовленная для вулканизированного волокна, будет пропущена через ванну, содержащую раствор хлорида цинка.
Хлорид цинка хорошо растворяется в воде. Раствор, используемый для пропитки бумаги, имел плотность 70 Боме (удельный вес 1,93) и температуру около 43,3 °C (109,9 °F; 316,4 K). [15] Это примерно 70% раствор хлорида цинка. Хлорид цинка является мягкой кислотой Льюиса с pH раствора около 4. Хлорид цинка может растворять целлюлозу, крахмал и шелк. Хлорид цинка, используемый при изготовлении вулканизированного волокна, набухал и желатинизировал целлюлозу. Набухание волокна объясняет, почему бумажные фильтры нельзя использовать для фильтрации растворов хлорида цинка. Это также причина, по которой для наращивания желаемой толщины вулканизированного волокна использовалось несколько слоев бумаги, а не обрабатывалась одна толщина картона. Например, практика заключалась в использовании 8 слоев бумаги толщиной 0,04 мм каждый, в отличие от одного слоя картона толщиной 0,32 мм.
После того, как слои бумаги пропитывались желатинирующим хлоридом цинка, их прессовали вместе. Прессование обеспечивало тесный контакт волокон целлюлозы , тем самым способствуя связыванию между цепями целлюлозы. После того, как связывание устанавливалось, можно было начинать процесс выщелачивания хлорида цинка из вулканизированного волокна. Выщелачивание (удаление путем диффузии) хлорида цинка достигалось путем подвергания вулканизированного волокна последовательно менее концентрированным ваннам с хлоридом цинка. Скорость, с которой это могло происходить, ограничивалась осмотическими силами. Если скорость, с которой вулканизированное волокно подвергалось воздействию все более и более низких концентраций раствора хлорида цинка, была слишком высокой, осмотические силы могли привести к разделению слоев. Конечная концентрация выщелачивающей ванны составляла 0,05% хлорида цинка. Толщина до 0,093” (=2,4 мм) может быть изготовлена на непрерывных линиях, которые простираются до 1000 футов (305 м) в длину.
Для толщины более 0,093” (2,4 мм) и до 0,375” (9,5 мм) был получен дискретный ламинированный лист (похожий по размеру (д x ш) на фанеру) методом вырубки. Вырезанные листы складывались и перемещались из ванны в ванну с помощью мостовых кранов. Каждая ванна последовательно становилась менее концентрированной, пока не была достигнута желаемая концентрация 0,05%. Чем толще материал, тем больше времени требовалось для выщелачивания хлорида цинка до 0,05%. Для самых толстых изделий требовалось время от 18 месяцев до 2 лет. Хлорид цинка, используемый в этих процессах, по большей части не расходовался для достижения желаемого связывания. Действительно, любое разбавление хлорида цинка, возникающее в результате выщелачивания, решалось с помощью испарителей, чтобы довести раствор хлорида цинка до 70 Боме, необходимых для повторного использования его для пропитки. В некотором смысле хлорид цинка можно рассматривать как катализатор при изготовлении вулканизированного волокна.
После того, как вулканизированное волокно выщелочено от хлорида цинка, его сушат до 5-6 процентов влажности и прессуют или каландрируют до плоскостности. Изготовленное непрерывным способом вулканизированное волокно затем можно раскатывать в листы или наматывать в рулоны. Плотность готового вулканизированного волокна в 2-3 раза больше, чем у бумаги, с которой оно начинается. Увеличение плотности является результатом 10% усадки в машинном направлении, 20% усадки в поперечном машинном направлении и 30% усадки по толщине. [ необходима цитата ]
Конечный продукт представляет собой однородную почти 100%-ную целлюлозную массу, свободную от каких-либо искусственных клеев, смол или связующих веществ. Готовое вулканизированное волокно обладает полезными механическими и электрическими свойствами. Оно обеспечивает высокую прочность на разрыв и растяжение, а в более тонких толщинах обеспечивает гибкость для соответствия изгибам и изгибам. В более толстых толщинах его можно формовать для придания формы с помощью пара и давления. Одно из применений вулканизированного волокна, которое подтверждает его физическую прочность, заключается в том, что оно является предпочтительным материалом для тяжелых шлифовальных дисков. Физическая прочность анизотропна из-за процесса валкового каландрирования, при этом она обычно на 50% прочнее в продольном направлении листа, а не в поперечном. [16]
Электрические свойства, демонстрируемые вулканизированным волокном, включают высокую изоляционную способность, а также устойчивость к дуге и трекингостойкости при рабочей температуре до 110–120 °C. Волокно было популярно в качестве электроизолятора большую часть середины 20-го века не потому, что его сопротивление как изолятора было особенно хорошим, особенно при высоком уровне влажности, а потому, что оно показало гораздо лучшую устойчивость к трекингостойкости и пробою, чем ранние полимеры, наполненные древесной мукой, такие как бакелит .
Вулканизированное волокно демонстрирует высокую устойчивость к проникновению большинства органических растворителей, масел и нефтепродуктов.