Вулканизированное волокно

Формованный изоляционный экран из вулканизированного волокна электрического класса

Вулканизированное волокно или красное волокно представляет собой ламинированный пластик, состоящий только из целлюлозы . Материал представляет собой прочный, упругий, похожий на рог материал, который легче алюминия , прочнее кожи и жестче большинства термопластов . Новый сорт вулканизированного волокна для ламинирования древесины используется для укрепления ламинированных слоев древесины, используемых в лыжах , скейтбордах , опорных балках, а также в качестве подламината под тонким деревянным шпоном .

Продуктом, очень похожим на вулканизированное волокно, является кожзам . Однако кожзаменитель изготавливается с использованием другого химического процесса. С 2004 года интерес научного сообщества к этому материалу возобновился благодаря его возобновляемости и превосходным физическим свойствам, что привело к появлению области полностью целлюлозных композитов. Все эти композиты состоят из матрицы, состоящей из растворенной или частично растворенной целлюлозы, а армированием остаются целлюлозные волокна. различные растворители, помимо хлорида цинка Были исследованы , включая гидроксид натрия при низких температурах и ионные жидкости . Хотя первоначальная идея заключалась в использовании длинных армирующих волокон ( рами , льна , вискозы ) и т. д. для придания композитам анизотропных механических свойств, в этой области также изучалось использование наноцеллюлозы .

Приложения

Вулканизированное волокно имеет долгую историю в технике, начиная с викторианского периода. Хотя в настоящее время существует множество материалов, в основном синтетических полимеров, с более высокими характеристиками, волокно широко применяется и до сих пор сохраняет множество применений. Поскольку он прочнее в тонких секциях между механически жесткими компонентами, он не полагается на собственную прочность, поэтому его чаще всего используют в качестве шайб , прокладок и различных прокладок или уплотнительных деталей.

Волокнистые шайбы — одни из самых дешевых конформных эластомерных прокладок для герметизации соединений труб и других сантехнических работ. Они слегка набухают под воздействием воды, обеспечивая хорошую герметизацию. Их также можно использовать с углеводородами, при условии, что температура не слишком высока. В отличие от резины, уплотнители с волокнистыми шайбами ​​считаются предметами одноразового использования.

Волокнистый лист легко вырезать сложной формы, поэтому он широко используется для фасонных прокладок. Их можно использовать для герметизации, в качестве теплоизоляции или в качестве механических прокладок.

До появления современных пластмасс в 1930-х годах волокно было стандартным электроизоляционным материалом для многих мелких компонентов. Его можно было легко обрезать по размеру, либо при массовом производстве, либо обрезать вручную по размеру. Это было особенно распространено при сборке больших машин, таких как обмотка двигателя.

История

Британский патент на вулканизированное волокно получил в 1859 году англичанин Томас Тейлор. Он получил патент после появления 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. Первой организованной промышленной компанией, производившей вулканизированное волокно, была компания Vulcanized Fiber Company, первоначально зарегистрированная как нью-йоркская корпорация, образованная 19 июня 1873 года, зарегистрированная президентом Уильямом Кортни и секретарем Чарльзом Ф. Кобби. Первая корпорация Нью-Йорка также была обнаружена в Городском справочнике Нью-Йорка 1873 года. в котором также значились президент Уильям Кортни и секретарь Чарльз Ф. Кобби в 1873 году. С 1873 по 1878 год компания Vulcanized Fiber Co. имела офис в Нью-Йорке по адресу: Дей-стрит, 17, а фабрика располагалась в Уилмингтоне, штат Делавэр. Это можно увидеть во многих рекламных объявлениях, которые были размещены в различных изданиях того периода истории. Специальный устав был предоставлен штатом Делавэр в 1873 году, пока корпорация Делавэра не была окончательно зарегистрирована 8 февраля 1875 года. президентом которого теперь числятся Уильям Кортни и секретарь Клемент Б. Смит.

В 1884 году компания Courtenay & Trull Co. NY была объединена с компанией Vulcanized Fiber Co. что дало компании контроль над новым изобретением под торговым названием «Желатинизированное волокно».

4 декабря 1901 года во время слияния и консолидации компании Vulcanized Fiber Co. изменила свое название на «American Vulcanized Fiber Co.». которая была образована с целью консолидации: Kartavert Mfg. Company, Уилмингтон, Делавэр; American Hard Fiber Company, Ньюарк, Делавэр; Компания Vulcanized Fiber, Уилмингтон, Делавэр. и Laminar Fiber Company из Северного Кембриджа, Массачусетс.

В 1922 году название было снова изменено, когда оно было напрямую куплено Национальной компанией по производству волокон и изоляции из Йорклина, Делавэр (которая также была владельцем Keystone Fiber Co.). Президентом Национальной компании по производству волокна в это время был Дж. Уоррен Маршалл, занявший тот же пост после объединения в новую компанию «National Vulcanized Fiber Company».

В 1965 году название было снова изменено на компанию NVF, чтобы с годами избежать путаницы с новой и меняющейся линейкой продуктов.

Энергия воды рек Пьемонт в Северном Делавэре привела к быстрому 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 компании Spaulding Fibre, которая начала разработку вулканизированной продукции в Рочестере, штат Нью-Гемпшир , и Тонаванде, штат Нью-Йорк , почти через четверть века после того, как эта отрасль зародилась в Делавэре.

Некоторыми из компаний, участвовавших в разработке вулканизированного волокна в регионе Уилмингтон, были Nunuch Fiber Company, American Hard Fiber Company, American Vulcanized Fiber Company, Continental Fiber Co., Diamond State Fiber Co. и Franklin Fiber Company. В Справочнике целлюлозно-бумажной продукции Post за 1965 год компания National Vulcanized Fiber Co. была указана как имеющая две фабрики по производству тряпичной бумаги для вулканизированного волокна. Они находились в Ньюарке и производили 15 тонн в день; и Йорклин, производящий 18 тонн в день. Это можно сравнить 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: компания Spaulding называлась Spauldite, торговая марка National — Phenolite, а компания Iten Industries — Resiten или Itenite.

Процесс

Процесс начался с бумаги, сделанной из хлопчатобумажных тряпок . До переработки древесной массы и химической древесной массы в середине 19 века доминирующим источником волокна для изготовления бумаги были хлопчатобумажные и льняные тряпки. Лист хлопчатобумажной тряпки, производимый для переработки в вулканизированное волокно, изготавливают как лист, пригодный для пропитки. Бумага изготавливается для пропитки без использования каких-либо проклеивающих добавок, будь то добавление битера или нанесение на поверхность. Сегодня большинство листов бумаги, предназначенных для письма, печати и нанесения покрытия, имеют внутреннюю (с добавлением битера ) проклейку , обеспечиваемую канифолью , алкилянтарным ангидридом (ASA) или димером алкилкетена (AKD), а поверхностную проклейку обеспечивает крахмал . Лист, предназначенный для пропитки, не будет содержать ни одного из этих химических ингредиентов. Некалиброванную пропитывающую бумагу из хлопкового волокна, приготовленную для вулканизированного волокна, пропускали через чан, содержащий раствор хлорида цинка.

Хлорид цинка

Хлорид цинка хорошо растворим в воде. Раствор, использованный для пропитки бумаги, имел 70 Боме (удельный вес 1,93) и температуру около 43,3 ° C (109,9 ° F; 316,4 К). плотность Это примерно 70%-ный раствор хлорида цинка. Хлорид цинка представляет собой мягкую кислоту Льюиса с pH раствора около 4. Хлорид цинка может растворять целлюлозу, крахмал и шелк. Хлорид цинка, используемый при изготовлении вулканизированного волокна, набухал и клейстеризовал целлюлозу. Набухание волокон объясняет, почему бумажные фильтры нельзя использовать для фильтрации растворов хлорида цинка. Это также является причиной того, что для достижения желаемой толщины вулканизированного волокна использовалось несколько слоев бумаги, а не обрабатывался картон одной толщины. Например, на практике использовалось 8 слоев бумаги толщиной 0,04 мм каждый, а не один слой картона толщиной 0,32 мм.

Прессование

Как только слои бумаги пропитались желатинизирующим хлоридом цинка, их сжали вместе. Прессование позволило обеспечить плотный контакт целлюлозных волокон , тем самым способствуя скреплению между цепями целлюлозы. Как только связь установилась, можно было начать процесс выщелачивания хлорида цинка из вулканизированного волокна. Выщелачивание (удаление путем диффузии) хлорида цинка осуществляли путем подвергания вулканизированного волокна последовательному воздействию менее концентрированных ванн с хлоридом цинка. Скорость, с которой это могло происходить, ограничивалась осмотическими силами. Если скорость, с которой вулканизированное волокно подвергается воздействию все более низких концентраций раствора хлорида цинка, будет слишком высокой, осмотические силы могут привести к расслоению слоев. Конечная концентрация в ванне выщелачивания составляла 0,05% хлорида цинка. Толщиной до 0,093 дюйма (= 2,4 мм) можно изготавливать на непрерывных линиях длиной до 1000 футов (305 м).

Чаны

Для толщины от 0,093 дюйма (2,4 мм) до 0,375 дюйма (9,5 мм) методом резки изготавливался дискретный ламинированный лист (по размеру (длина x ширина) фанеры). Вырезанные листы складывались на стеллажи и перемещались из чана в чан с помощью мостовых гусеничных кранов. В каждой ванне последовательно уменьшали концентрацию до тех пор, пока не была достигнута желаемая концентрация 0,05%. Чем толще материал, тем больше времени потребовалось для выщелачивания хлорида цинка до концентрации 0,05%. Для самых толстых продуктов требовалось время от 18 месяцев до 2 лет. Хлорид цинка, используемый в этих процессах, по большей части не расходовался для достижения желаемого соединения. Действительно, любое разбавление хлорида цинка, возникающее в результате выщелачивания, устранялось с помощью испарителей, чтобы довести раствор хлорида цинка до 70 Боме, необходимых для его повторного использования для насыщения. В некотором смысле хлорид цинка можно рассматривать как катализатор при производстве вулканизированного волокна.

Высушенный и прессованный

После того как вулканизированное волокно выщелочено от хлорида цинка, его сушат до влажности 5–6 процентов и прессуют или каландрируют до плоскостности. Непрерывное вулканизированное волокно, полученное методом технологического процесса, можно затем раскатать в листы или смотать в рулоны. Плотность готового вулканизированного волокна в 2-3 раза превышает плотность бумаги, из которой оно изготовлено. Увеличение плотности является результатом усадки в машинном направлении на 10 %, усадки в поперечном направлении на 20 % и усадки по толщине на 30 %.

Характеристики

Конечный продукт представляет собой однородную почти 100%-ную целлюлозную массу, свободную от искусственных клеев, смол и связующих веществ. Готовое вулканизированное волокно обладает полезными механическими и электрическими свойствами. Он обеспечивает высокую прочность на разрыв и растяжение, а более тонкая толщина позволяет гибко адаптироваться к изгибам и изгибам. При большей толщине ему можно придать форму с помощью пара и давления. Одним из применений вулканизированного волокна, подтверждающим его физическую прочность, является то, 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.

Электрические свойства, демонстрируемые вулканизированным волокном, включают высокую изоляционную способность, а также устойчивость к дуге и путям при рабочей температуре до 110–120 °C. Волокно было популярно в качестве электрического изолятора на протяжении большей части середины 20-го века не потому, что его сопротивление в качестве изолятора было особенно хорошим, особенно если уровень влажности был высоким, но оно демонстрировало гораздо лучшую устойчивость к трекингу и разрушению, чем ранняя древесина. полимеры с наполнителем муки, такие как бакелит .

Вулканизированное волокно демонстрирует высокую устойчивость к проникновению большинства органических растворителей, масел и нефтепродуктов.

Оценки

• Коммерческий класс; стандартный серый, черный или красный, используется для многих применений, таких как шайбы, прокладки, шестерни, ручки и т. д.
• Электрическая марка: серый цвет с высокими диэлектрическими свойствами, 100% хлопок, очень гибкий (исторически называемый рыбной бумагой), этот сорт подходит для изоляции слоев и заземления и имеет различные вариации, включая сорт Top Stick, используемый для клиньев в небольших двигателях.
• Волокно багажника: прочное и устойчивое к истиранию; используется для обработки корпусов пароходов, корпусов барабанов, изнашиваемых и полозьев.
• Костное волокно: исключительно твердое и плотное, используется для точной обработки, изготовления трубок, наконечников (наконечников) бильярдных киев, вырезания предохранителей.
• Ламинирование древесины: прочная, разнонаправленная прочность на растяжение и кручение, обеспечивает поддержку и прочность везде, где используются ламинированные деревянные поверхности, особенно под тонким и экзотическим шпоном в качестве стабилизатора/усилителя.