Вулканизированное волокно или красное волокно - это ламинированный пластик, состоящий только из целлюлозы . Материал - прочный, упругий, похожий на рог материал, который легче алюминия , жестче кожи и жестче, чем большинство термопластов . Более новый сорт вулканизированного волокна для ламинирования древесины используется для усиления деревянных пластин, используемых в лыжах , скейтбордах , опорных балках и в качестве суб-ламината под тонким деревянным шпоном .
Изделие, очень похожее на вулканизированное волокно, - это кожзаменитель . Однако кожзаменитель производится с помощью другого химического процесса. С 2004 года научное сообщество вновь заинтересовалось этим материалом благодаря его возобновляемости и отличным физическим свойствам, что положило начало области полностью целлюлозных композитов. [1] Все эти композиты состоят из матрицы, состоящей из растворенной или частично растворенной целлюлозы, а в качестве армирования остаются целлюлозные волокна. Были исследованы различные растворители, кроме 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. ), Чтобы придать композитам анизотропные механические свойства, в этой области также исследовалось использование наноцеллюлозы .
Приложения
Вулканизированное волокно имеет долгую историю инженерного искусства, начиная с викторианского периода. Несмотря на то, что сейчас существует множество материалов, в основном синтетических полимеров, с более высокими характеристиками, волокно широко применяется и по-прежнему остается во многих сферах применения. Поскольку он более прочен в тонких сечениях между механически жесткими компонентами, а не полагается на собственную силу, он в основном используется в качестве шайб , прокладок и различных прокладок или уплотнительных деталей.
Волокнистые шайбы - одни из самых дешевых конформных эластомерных прокладок для герметизации соединений труб и общих сантехнических работ. Они слегка набухают под воздействием воды, обеспечивая хорошую герметичность. Их также можно использовать с углеводородами, если температура не слишком высока. В отличие от резины, уплотнители с волоконными шайбами считаются одноразовым.
Волокнистый лист легко вырубается с получением сложной формы, поэтому он широко используется для изготовления профильных прокладок. Их можно использовать для уплотнения, в качестве теплоизоляторов или механических прокладок.
До появления современных пластмасс в 1930-х годах волокно было стандартным электроизоляционным материалом для многих мелких компонентов. Его можно было легко разрезать по размеру, либо в массовом производстве, либо вручную обрезать по размеру. Это было особенно распространено при сборке больших машин, таких как обмотка двигателя.
История
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 искусственного волокна (регенерированной целлюлозы) в 1894 году. В 1871 году Томас Тейлор получил патент США на вулканизированное волокно. [5] [6] Первой организованной промышленной компанией, производившей вулканизированное волокно, была компания Vulcanized Fiber Company, зарегистрированная как нью-йоркская корпорация, образованная 19 июня 1873 года, вместе с президентом Уильямом Куртенэ и секретарем Чарльза Ф. Кобби. [7] Первая корпорация Нью-Йорка была также обнаружена в Городском справочнике Нью-Йорка 1873 года [8], в котором также указаны президент Уильям Куртенэ и секретарь Чарльз Ф. Кобби в 1873 году. С 1873 по 1878 год компания Vulcanized Fiber Co. имела адрес офиса в Нью-Йорке: 17 Dey St., а завод располагался в Уилмингтоне, штат Делавэр. Это можно увидеть во многих рекламных объявлениях, размещенных в различных изданиях в то время. [9] Особый устав [10] был предоставлен штатом Делавэр в 1873 году, пока корпорация Делавэр не была окончательно зарегистрирована 8 февраля 1875 года [11], в которой теперь значились президент Уильяма Куртенэ и секретарь Клемента Б. Смита.
В 1884 году компания Courtenay & Trull Co. NY была объединена с компанией Vulcanized Fiber Co. [12], что дало компании контроль над новым изобретением под торговым названием «Желатинизированное волокно».
4 декабря 1901 года во время слияния и консолидации компания Vulcanized Fiber Co. [13] сменила название на «American Vulcanized Fiber Co.». который был образован с целью объединения: Kartavert Mfg. Company, Уилмингтон, Делавэр; American Hard Fiber Company, Ньюарк, Делавэр; Компания Vulcanized Fiber, Уилмингтон, Делавэр. и Laminar Fiber Company из Северного Кембриджа, штат Массачусетс.
В 1922 году название было снова изменено, когда оно было приобретено напрямую Национальной волоконно-изоляционной компанией Йорклина Делавэра (которая также была владельцем Keystone Fiber Co.). Президентом National Fiber Company в то время был Дж. Уоррен Маршалл, который занял тот же пост после объединения в новую компанию «National Vulcanized Fiber Company».
В 1965 году название снова было изменено на NVF Company, чтобы избежать путаницы в течение многих лет с новой и изменяющейся линейкой продуктов. [14]
Водная сила ручьев Пьемонта в Северном Делавэре привела к увеличению числа компаний, занимающихся производством вулканизированного волокна. С годами эти компании реорганизовались и объединились. В 1922 году компания National Vulcanized Fiber Company стала основным конкурентом Spaulding Fiber, который начал разработку вулканизированных продуктов в Рочестере, штат Нью-Гэмпшир, и Тонаванде, штат Нью-Йорк , почти через четверть века после того, как промышленность возникла в Делавэре.
Некоторыми из компаний, участвовавших в разработке вулканизированного волокна в регионе Уилмингтона, были Nunsuch Fiber Company, American Hard Fiber Company, American Vulcanized Fiber Company, Continental Fiber Co., Diamond State Fiber Co. и Franklin Fiber Company. В Справочнике по целлюлозно-бумажной промышленности за 1965 год компания National Vulcanized Fiber Co. была указана как имеющая две фабрики по производству ветоши для вулканизированного волокна. Они были в Ньюарке, производя 15 тонн в день; и Yorklyn, производящие 18 тонн в день. Это можно сравнить с заводом в Тонаванде в Сполдинге Фибре , который производил 40 тонн в день (справочник Post). Конкуренты также производили бакелит , но продавали их под разными названиями: Spaulding's был Spauldite, а бренд National был Phenolite, а Iten Industries 'Resiten или Itenite.
Процесс
Процесс начался с бумаги, сделанной из хлопчатобумажных тряпок . До обработки древесной массы и химической древесной массы в середине 19 века преобладающим источником волокна для изготовления бумаги были хлопчатобумажные и льняные тряпки. Лист хлопковой тряпки, изготовленный для преобразования в вулканизированное волокно, выполнен как лист, пригодный для пропитывания. Бумага изготавливается для пропитывания за счет исключения каких-либо проклеивающих добавок, будь то добавление битера или нанесение на поверхность. Сегодня большинство листов бумаги, предназначенных для письма, печати и нанесения покрытий, имеют внутреннюю проклейку (с добавлением битера ), обеспечиваемую канифолью , ангидридом алкилянтарной кислоты (ASA) или димером алкилкетена (AKD), и проклейкой поверхности, обеспечиваемой крахмалом. Лист, сделанный для пропитывания, не будет содержать ни одного из этих химических ингредиентов. Негабаритная пропитывающая бумага из хлопкового волокна, приготовленная для вулканизированного волокна, будет пропущена через чан, содержащий раствор хлорида цинка.
Хлорид цинка
Хлорид цинка хорошо растворяется в воде. Раствор, используемый для пропитывания бумаги, имел плотность 70 Боме (1,93 удельный вес) и примерно 43,3 ° C (109,9 ° F; 316,4 K). [15] Это примерно 70% -ный раствор хлорида цинка. Хлорид цинка - это мягкая кислота Льюиса с pH раствора около 4. Хлорид цинка может растворять целлюлозу, крахмал и шелк. Хлорид цинка, используемый при изготовлении вулканизированного волокна, набухает и желатинизирует целлюлозу. Набухание волокон объясняет, почему бумажные фильтры нельзя использовать для фильтрации растворов хлорида цинка. Это также причина того, почему несколько слоев бумаги использовались для наращивания до желаемой толщины вулканизированного волокна, а не для картона одной толщины. Например, практика заключалась в использовании 8 слоев бумаги толщиной 4 мм каждый вместо одного слоя картона толщиной 32 мм.
Нажатие
После того, как слои бумаги пропитались желатинизирующимся хлоридом цинка, их спрессовали. Прессование обеспечивало тесный контакт целлюлозных волокон , тем самым способствуя соединению между целлюлозными цепями. Как только соединение было установлено, можно было начать процесс выщелачивания хлорида цинка из вулканизированного волокна. Выщелачивание (удаление путем диффузии) хлорида цинка осуществляли, подвергая вулканизированное волокно воздействию последовательно менее концентрированных ванн с хлоридом цинка. Скорость, с которой это могло произойти, 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 бы привести к разделению слоев. Конечная концентрация ванны для выщелачивания составляла 0,05% хлорида цинка. Толщина до 0,093 дюйма может быть получена на непрерывных линиях длиной до 1000 футов (305 м).
Чаны
Для толщины от 0,093 дюйма до 0,375 дюйма дискретный многослойный лист (аналогичный по размеру (lxw) фанере) был изготовлен в процессе резки. Обрезанные листы складывались и перемещались из чана в чан с помощью мостовых гусеничных кранов. В каждой чане последовательно уменьшалась концентрация, пока не было достигнуто желаемое 0,05%. Чем толще материал, тем больше времени требуется для выщелачивания хлорида цинка до 0,05%. Для самых толстых продуктов требовалось время от 18 месяцев до 2 лет. Хлорид цинка, используемый в этих процессах, по большей части не расходуется для достижения желаемого связывания. Действительно, любое разбавление хлорида цинка, возникающее в результате выщелачивания, устранялось с помощью испарителей, чтобы довести раствор хлорида цинка до уровня 70 Бом, необходимого для его повторного использования для насыщения. В некотором смысле хлорид цинка можно рассматривать как катализатор при изготовлении вулканизированного волокна.
Сушеный и прессованный
После выщелачивания вулканизированного волокна от хлорида цинка его сушат до влажности от 5 до 6 процентов и прессуют или каландрируют до плоскостности. Затем вулканизированное волокно, полученное непрерывным технологическим процессом, можно было раскатать или свернуть в рулоны. Плотность готового вулканизированного волокна в 2–3 раза больше плотности бумаги, с которой оно начинается. Увеличение плотности является результатом усадки в продольном направлении на 10%, усадки в поперечном направлении на 20% и усадки на 30% по толщине.
Характеристики
Конечный продукт представляет собой однородную почти 100% целлюлозную массу, не содержащую каких-либо искусственных клеев, смол или связующих. Готовое вулканизированное волокно обладает полезными механическими и электрическими свойствами. Он обладает высокой прочностью на разрыв и растяжение, а меньшая толщина обеспечивает гибкость, позволяющую приспосабливаться к изгибам и изгибам. При большей толщине его можно формовать с помощью пара и давления. Одно из применений вулканизированного волокна, которое свидетельствует о его физической прочности, заключается в том, что это предпочтительный материал для тяжелых шлифовальных дисков. Физическая прочность анизотропна из-за процесса валкового каландрирования, при этом она обычно на 50% сильнее в продольном направлении листа, а не в поперечном. [16]
Электрические свойства, проявляемые вулканизированным волокном, включают высокие изолирующие свойства, дуговое и дорожное сопротивление при рабочих температурах от 110 до 120 ° C. Волокно было популярно как электрический изолятор на протяжении большей части середины 20-го века, не потому, что его сопротивление как изолятора было особенно хорошим, особенно при высоком уровне влажности, но оно показало гораздо лучшую устойчивость к трекингу и разрушению, чем ранняя древесина. наполненные мукой полимеры, такие как бакелит .
Вулканизированное волокно демонстрирует высокую стойкость к проникновению большинства органических растворителей, масел и нефтепродуктов.
Оценки
- Товарный сорт; стандартный серый, черный или красный, используемый во многих областях, таких как шайбы, прокладки, шестерни, ручки и т. д.
- Электрический сорт: серый с высокой диэлектрической проницаемостью, 100% хлопок, очень гибкий (исторически называемый рыбьей бумагой), этот сорт подходит для многослойной и заземляющей изоляции и имеет различные вариации, в том числе сорт верхнего приклеивания, используемый для клиньев в небольших двигателях.
- Магистральное волокно: прочное и устойчивое к истиранию; используется для облицовки корпусов пароварок, корпусов барабанов, изнашиваемых и опорных панелей.
- Костное волокно: Исключительно твердое и плотное, используется для плотной механической обработки, трубок, наконечников бильярдных киев, вырезанных предохранителей.
- Ламинирование древесины: прочная, многонаправленная прочность на растяжение и скручивание, обеспечивает поддержку и прочность везде, где используются деревянные ламинаты, особенно при использовании под тонкие и экзотические фанеры в качестве стабилизатора / усилителя.
Рекомендации
- ^ Хубер, Тим; Мюссиг, Йорг; Курноу, Оуэн; Пан, Шушэн; Бикертон, Саймон; Стайгер, Марк (2012). «Критический обзор полностью целлюлозных композитов» . Журнал материаловедения . 47 (3): 1171–1186. DOI : 10.1007 / s10853-011-5774-3 .
- ^ Дюшемен, Бенуа; Мэтью, Аджи; Оксман, Кристина (2009). «Цельнцеллюлозные композиты путем частичного растворения в ионной жидкости хлорида 1-бутил-3-метилимидазолия». Композиты Часть A: Прикладная наука и производство . 40 (12): 1171–1186. DOI : 10.1016 / j.compositesa.2009.09.013 .
- ^ Дорманнс, Ян; Шуэрманн, Иеремиас; Мюссиг, Йорг; Дюшемен, Бенуа; Стайгер, Марк (2016). «Обработка пропиткой растворителем полностью целлюлозных композитных ламинатов с использованием водной системы растворителей NaOH / мочевина». Композиты Часть A: Прикладная наука и производство . 82 : 130–140. DOI : 10.1016 / j.compositesa.2015.12.002 .
- ^ ПАЙК-КРИК: ПРОМЫШЛЕННОСТЬ И ХОЗЯЙСТВО НА СЕВЕРНОЙ РЕКЕ ДЕЛАВЭРА; С. 4-8.
- ^ «ИСТОРИЯ ПЛАСТИКА: Дистрибьютор и производитель пластмасс » , журнал Plastics
- ^ Тейлор, Томас, Улучшение обработки бумаги и бумажной массы, Патент США 114880 , выданный 16 мая 1871 г.
- ^ "История штата Делавэр" Том 2 Страница 415
- ↑ Реестр города Нью-Йорка, стр. 34
- ^ Рекламные объявления компании Vulcanized Fiber Co.
- ^ Отрасли Делавэра: исторический и описательный обзор: города, поселки и деловые интересы, учреждения, производство и коммерческие преимущества
- ^ Законы штата Делавэр, Том 15
- ^ Courtenay & Trull Co. NY была объединена с компанией Vulcanized Fiber Co.
- ^ КОМПАНИЯ ПО ВУЛКАНИЗАЦИИ ВОЛОКНА - ОБЪЕДИНЯЕТСЯ В НОВОЕ НАЗВАНИЕ AMERICAN VULCANIZED FIBER CO.
- ^ История компании Fiber и дерево слияний
- ^ Джеймс П. Кейси, Целлюлозно-бумажная химия и химическая технология ; Vol. II; Второе издание, переработанное и дополненное: Interscience Publishers Inc., Нью-Йорк, John Wiley & Sons Inc., Нью-Йорк; 1952, 1960; Библиотека Конгресса США 60-13120; Третье издание 1967 г., стр. 654-655.
- ^ "Лист из вулканизированного волокна туфнол" . Туфнол .