La fibra vulcanizada o fibra roja es un plástico laminado compuesto únicamente por celulosa . El material es resistente, resistente y parecido a un cuerno, más ligero que el aluminio , más resistente que el cuero y más rígido que la mayoría de los termoplásticos . El nuevo grado de fibra vulcanizada para laminación de madera se utiliza para fortalecer las laminaciones de madera utilizadas en esquís , patinetas , vigas de soporte y como sublaminado debajo de finas chapas de madera .
Un producto muy parecido a la fibra vulcanizada es el cueroide . El cueroide, sin embargo, se fabrica mediante un proceso químico diferente. Desde 2004, la comunidad científica ha recuperado el interés por este material debido a su renovabilidad y excelentes propiedades físicas, dando origen al campo de los composites totalmente celulósicos. [1] Todos estos compuestos están hechos de una matriz que consiste en celulosa disuelta o parcialmente disuelta, y el refuerzo sigue siendo fibras de celulosa. Se han explorado una variedad de disolventes distintos del cloruro de zinc , incluido el hidróxido de sodio a bajas temperaturas y los líquidos iónicos . [2] [3] Mientras que la idea original era utilizar fibras largas de refuerzo ( ramio , lino , viscosa , etc. ) para conferir a los compuestos propiedades mecánicas anisotrópicas , el campo también ha explorado el uso de nanocelulosa .
La fibra vulcanizada tiene una larga historia en ingeniería, desde el período victoriano en adelante. Aunque en la actualidad existen muchos materiales, en su mayoría polímeros sintéticos, con mayor rendimiento, la fibra se ha aplicado ampliamente y aún conserva muchas aplicaciones. Como es más resistente en secciones delgadas entre componentes mecánicamente rígidos, en lugar de depender de su propia resistencia, se ha utilizado principalmente como arandelas , juntas y una variedad de cuñas o piezas de empaque.
Las arandelas de fibra son una de las juntas de elastómero conformado más baratas para sellar uniones de tuberías y trabajos de plomería en general. Se hinchan ligeramente con la exposición al agua, formando un buen sello. También se pueden utilizar con hidrocarburos, siempre que la temperatura no sea demasiado elevada. A diferencia del caucho, las arandelas de fibra se consideran un artículo de un solo uso.
La lámina de fibra se troquela fácilmente para obtener formas complejas, por lo que se utiliza ampliamente para juntas con formas. Estos pueden usarse para sellar, como aislantes térmicos o como espaciadores mecánicos.
Hasta el desarrollo de los plásticos modernos a partir de los años 30, la fibra era el material aislante eléctrico estándar para muchos componentes pequeños. Se podía cortar a medida fácilmente, ya sea en producción en masa o recortado a mano para adaptarlo. Era particularmente común en el montaje de máquinas grandes, como las bobinadoras de motores.
La patente británica para la fibra vulcanizada fue obtenida en 1859 por el inglés Thomas Taylor. [4] Obtuvo la patente después de la introducción del celuloide en 1856 y antes de la invención del rayón viscosa (celulosa regenerada) en 1894. En 1871, Thomas Taylor obtuvo la patente estadounidense para fibra vulcanizada. [5] [6] La primera empresa industrial organizada que fabricó fibra vulcanizada fue Vulcanized Fiber Company, constituida primero como una corporación de Nueva York formada el 19 de junio de 1873, con William Courtenay como presidente y Charles F. Cobby como secretario. [7] La primera corporación de Nueva York también se encontró en el Directorio de la ciudad de Nueva York de 1873 [8] que también incluía a William Courtenay como presidente y Charles F. Cobby como secretario en 1873. Desde 1873 hasta 1878, Vulcanized Fiber Co. tenía una dirección de oficina en Nueva York de 17 Dey St., mientras que la fábrica estaba ubicada en Wilmington Delaware. Esto se puede ver en los numerosos anuncios que se colocaron en diferentes publicaciones en este momento de la historia. [9] El estado de Delaware otorgó un estatuto especial [10] en 1873 hasta que finalmente se incorporó la corporación de Delaware el 8 de febrero de 1875 [11] que ahora incluía a William Courtenay como presidente y Clement B. Smyth como secretario.
En 1884, Courtenay & Trull Co. NY se fusionó con Vulcanized Fiber Co. [12], lo que le dio a la empresa el control sobre una nueva invención denominada con el nombre comercial "Gelatinized Fibre".
El 4 de diciembre de 1901, durante una fusión y consolidación, Vulcanized Fiber Co. [13] cambió su nombre a "American Vulcanized Fiber Co." que se formó con el propósito de consolidar: Kartavert Mfg. Company, Wilmington, Delaware; Compañía Estadounidense de Fibras Duras, Newark, Delaware; Compañía de fibra vulcanizada, Wilmington, Delaware. y Laminar Fiber Company de North Cambridge, Mass.
En 1922, el nombre se cambió nuevamente cuando fue comprado directamente por National Fiber & Insulation Company de Yorklyn Delaware (que también era propietaria de Keystone Fiber Co.). El presidente de la National Fiber Company en ese momento era J. Warren Marshall, quien asumió el mismo cargo luego de consolidarse en la nueva empresa "National Vulcanized Fiber Company".
En 1965, el nombre se cambió nuevamente a NVF Company para evitar confusiones a lo largo de los años con una línea de productos nueva y cambiante. [14]
La energía hidráulica de los arroyos Piedmont en el norte de Delaware provocó una proliferación de empresas en el negocio de las fibras vulcanizadas. Con el paso de los años, estas empresas se reorganizaron y fusionaron. En 1922, National Vulcanized Fiber Company surgió como el principal competidor de Spaulding Fibre, que había comenzado a desarrollar productos vulcanizados en Rochester, New Hampshire y Tonawanda, Nueva York , casi un cuarto de siglo después de que comenzara la industria en Delaware.
Algunas de las empresas involucradas en el desarrollo de fibras vulcanizadas en la región de Wilmington fueron Nunsuch Fiber Company, American Hard Fiber Company, American Vulcanized Fiber Company, Continental Fiber Co., Diamond State Fiber Co. y Franklin Fiber Company. En el Directorio de pulpa y papel del Post de 1965, National Vulcanized Fiber Co. figuraba con dos fábricas que producían papel de trapo para fibra vulcanizada. Estaban en Newark, produciendo 15 toneladas diarias; y Yorklyn, que produce 18 toneladas diarias. Esto se compara con la planta Tonawanda de Spaulding Fibre , que entonces producía 40 toneladas por día (directorio del Post). Los competidores también producían baquelita , pero la comercializaban con diferentes nombres: la marca de Spaulding era Spauldite y la marca de National era Phenolite y Resiten o Itenite de Iten Industries.
El proceso comenzó con papel elaborado con trapos de algodón . Antes del procesamiento de pulpa de madera y pulpa de madera química a mediados del siglo XIX, la fuente de fibra dominante para la fabricación de papel eran los trapos de algodón y lino. La lámina de trapo de algodón producida para su conversión en fibra vulcanizada se fabrica como una lámina adecuada para saturar. Un papel se fabrica para saturar omitiendo cualquier aditivo de apresto, ya sea agregado con batidor o aplicado en la superficie. Hoy en día, la mayoría de las hojas de papel fabricadas para escribir, imprimir y recubrir tienen un apresto interno (agregado por batidor ) proporcionado por colofonia , anhídrido alquilsuccínico (ASA) o dímero de alquilceteno (AKD) y un apresto superficial proporcionado por almidón . Una lámina hecha para saturar no tendría ninguno de esos ingredientes químicos. El papel de fibra de algodón saturado sin apresto preparado para fibra vulcanizada se haría pasar a través de una tina que contiene una solución de cloruro de zinc.
El cloruro de zinc es muy soluble en agua. La solución utilizada para saturar el papel tenía una densidad de 70 Baumé (gravedad específica de 1,93) y aproximadamente 43,3 °C (109,9 °F; 316,4 K). [15] Esta es aproximadamente una solución de cloruro de zinc al 70%. El cloruro de zinc es un ácido de Lewis suave con un pH de solución de aproximadamente 4. El cloruro de zinc puede disolver celulosa, almidón y seda. El cloruro de zinc utilizado para fabricar fibra vulcanizada hinchó y gelatinizó la celulosa. El hinchamiento de las fibras explica por qué no se pueden utilizar filtros de papel para filtrar soluciones de cloruro de zinc. También es la razón por la que se utilizaron varias capas de papel para alcanzar el espesor de fibra vulcanizada deseado, en lugar de tratar un solo espesor de cartón. Por ejemplo, la práctica era utilizar 8 capas de papel de 0,04 mm de espesor cada una, en lugar de una sola capa de cartón de 0,32 mm.
Una vez que las capas de papel se saturaron con el cloruro de zinc gelatinizante, se presionaron entre sí. El prensado permitió un contacto íntimo de las fibras de celulosa , promoviendo así la unión entre las cadenas de celulosa. Una vez establecida la unión, podría comenzar el proceso de lixiviación del cloruro de zinc de la fibra vulcanizada. La lixiviación (eliminación por difusión) del cloruro de zinc se logró sometiendo la fibra vulcanizada a baños de cloruro de zinc sucesivamente menos concentrados. La velocidad a la que esto podría ocurrir estaba limitada por las fuerzas osmóticas. Si la velocidad a la que la fibra vulcanizada se sometía a concentraciones cada vez más bajas de solución de cloruro de zinc fuera demasiado rápida, las fuerzas osmóticas podrían dar lugar a separaciones de capas. La concentración final del baño de lixiviación fue de 0,05% de cloruro de zinc. Se pueden fabricar espesores de hasta 0,093” (=2,4 mm) en líneas continuas que se extienden hasta 1000 pies (305 m) de longitud.
Para espesores superiores a 0,093” (2,4 mm) y hasta 0,375” (9,5 mm), se produjo mediante el proceso de corte una lámina laminada discreta (similar en tamaño (lxw) a la madera contrachapada). Las láminas cortadas se apilaban y se trasladaban de tina en tina mediante grúas aéreas sobre orugas. Cada tina fue sucesivamente menos concentrada hasta alcanzar el 0,05% deseado. Cuanto más grueso es el material, más tiempo se tarda en lixiviar el cloruro de zinc al 0,05 %. Para los productos más espesos se necesitaron tiempos de 18 meses a 2 años. El cloruro de zinc utilizado en estos procesos no se consumió en su mayor parte para lograr la unión deseada. De hecho, cualquier dilución del cloruro de zinc resultante de la lixiviación se solucionó utilizando evaporadores para llevar la solución de cloruro de zinc a los 70 Baume necesarios para usarla nuevamente para saturar. En cierto sentido, se puede considerar el cloruro de zinc como un catalizador en la fabricación de fibra vulcanizada.
Una vez que la fibra vulcanizada se libera del cloruro de zinc, se seca hasta obtener entre un 5 y un 6 por ciento de humedad y se prensa o calandra hasta que quede plana. La fibra vulcanizada producida en un proceso continuo podría luego ser laminada o enrollada en rollos. La densidad de la fibra vulcanizada terminada es de 2 a 3 veces mayor que la del papel del que parte. El aumento de densidad es el resultado de una contracción del 10 % en la dirección de la máquina, un 20 % de contracción en la dirección transversal de la máquina y un 30 % de contracción en el espesor. [ cita necesaria ]
El producto final es una masa homogénea casi 100% de celulosa libre de pegamentos, resinas o aglutinantes artificiales. La fibra vulcanizada acabada tiene propiedades mecánicas y eléctricas útiles. Ofrece alta resistencia al desgarro y a la tracción, mientras que en espesores más delgados permite flexibilidad para adaptarse a curvas y dobleces. En espesores más gruesos, se puede moldear con vapor y presión. Una aplicación de la fibra vulcanizada que da fe de su resistencia física es que es el material preferido para discos de lijado pesados. La resistencia física es anisotrópica, debido al proceso de calandrado con rodillos, y normalmente es un 50% más fuerte en la dirección longitudinal de la hoja, en lugar de en la transversal. [dieciséis]
Las propiedades eléctricas que exhibe la fibra vulcanizada son un alto valor aislante y resistencia al arco y a las vías con temperaturas de servicio de hasta 110 a 120 °C. La fibra fue popular como aislante eléctrico durante gran parte de mediados del siglo XX, no porque su resistencia como aislante fuera particularmente buena, especialmente si los niveles de humedad eran altos, sino porque mostró una resistencia mucho mejor al rastreo y a la rotura que la madera anterior. Polímeros rellenos de harina como la baquelita .
La fibra vulcanizada muestra una alta resistencia a la penetración de la mayoría de disolventes orgánicos, aceites y derivados del petróleo.