La fibra vulcanizada, también conocida como fibra roja , es un plástico laminado compuesto únicamente de celulosa . Este material es un material resistente, flexible y parecido a un cuerno que es más ligero que el aluminio , más duro que el cuero y más rígido que la mayoría de los termoplásticos . El grado más nuevo de laminación de madera de la fibra vulcanizada se utiliza para reforzar las laminaciones de madera utilizadas en esquís , patinetas , vigas de soporte y como sublaminado debajo de chapas de madera delgadas . También podría ser azul. Un producto muy similar a la fibra vulcanizada es el cuero artificial ; sin embargo, el cuero artificial se fabrica utilizando un proceso químico diferente. Desde 2004, la comunidad científica ha recuperado el interés en este material debido a su renovabilidad y excelentes propiedades físicas, dando origen al campo de los compuestos totalmente de celulosa. [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 ha explorado una variedad de disolventes distintos del cloruro de zinc , incluido el hidróxido de sodio a bajas temperaturas y los líquidos iónicos . [2] [3] Si bien la idea original era utilizar fibras de refuerzo largas ( 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 la ingeniería, desde la época victoriana en adelante. Aunque ahora hay muchos materiales, en su mayoría polímeros sintéticos, con un rendimiento superior, 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 calzas o piezas de empaquetadura.
Las arandelas de fibra son una de las juntas de elastómero conformado más económicas para sellar uniones de tuberías y trabajos de plomería en general. Se hinchan ligeramente con la exposición al agua, lo que produce un buen sellado. También se pueden utilizar con hidrocarburos, siempre que la temperatura no sea demasiado alta. A diferencia del caucho, las juntas de arandela de fibra se consideran un artículo de un solo uso.
Las láminas de fibra se troquelan fácilmente en formas complejas, por lo que se utilizan ampliamente para juntas moldeadas. Estas se pueden utilizar para sellar, como aislantes térmicos o como espaciadores mecánicos.
Hasta el desarrollo de los plásticos modernos a partir de la década de 1930, la fibra era el material aislante eléctrico estándar para muchos componentes pequeños. Se podía cortar a medida fácilmente, ya fuera en producción en masa o recortada a mano para que encajara. Era especialmente común en el montaje de máquinas grandes, como el bobinado 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 de viscosa (celulosa regenerada) en 1894. En 1871 Thomas Taylor obtuvo la patente de los Estados Unidos para la fibra vulcanizada. [5] [6] La primera empresa industrial organizada para fabricar fibra vulcanizada fue la Vulcanized Fibre Company, incorporada primero como una corporación de Nueva York formada el 19 de junio de 1873 listada con William Courtenay Presidente y Charles F. Cobby 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 Presidente y Charles F. Cobby Secretario en 1873. Desde 1873 hasta 1878, Vulcanized Fiber Co. tuvo una dirección de oficina en Nueva York en 17 Dey St., mientras que la fábrica estaba ubicada en Wilmington Delaware. Esto se puede ver en los muchos anuncios que se colocaron en diferentes publicaciones en este momento de la historia. [9] El estado de Delaware otorgó una carta especial [10] en 1873 hasta que la corporación de Delaware finalmente se constituyó el 8 de febrero de 1875 [11], que ahora incluía a William Courtenay como presidente y a Clement B. Smyth como secretario.
En 1884, Courtenay & Trull Co. NY se fusionó con Vulcanized Fibre 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, la Vulcanized Fibre Co. [13] cambió su nombre a "American Vulcanized Fiber Co.", que se formó con el propósito de consolidar: Kartavert Mfg. Company, Wilmington, Delaware; American Hard Fibre Company, Newark, Delaware; Vulcanized Fibre Company, Wilmington, Delaware. y la Laminar Fibre Company de North Cambridge, Mass.
En 1922, el nombre se modificó nuevamente cuando fue adquirida directamente por la National Fibre & Insulation Company de Yorklyn Delaware (que también era propietaria de Keystone Fibre Co.). El presidente de la National Fibre Company en ese momento era J. Warren Marshall, quien asumió el mismo cargo después de consolidarse en la nueva empresa "National Vulcanized Fibre Company".
En 1965 el nombre fue cambiado 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 de Piedmont en el norte de Delaware dio lugar a una proliferación de empresas dedicadas al negocio de la fibra vulcanizada. Con el paso de los años, estas empresas se reorganizaron y se fusionaron. En 1922, National Vulcanized Fiber Company surgió como el principal competidor de Spaulding Fiber, que había comenzado a desarrollar productos vulcanizados en Rochester, New Hampshire y Tonawanda, Nueva York , casi un cuarto de siglo después de que la industria comenzara en Delaware.
Algunas de las empresas involucradas en el desarrollo de fibra vulcanizada en la región de Wilmington fueron Nunsuch Fiber Company, American Hard Fiber Company, American Vulcanized Fibre Company, Continental Fibre Co., Diamond State Fibre Co. y Franklin Fibre Company. En el Directorio de Pulpa y Papel del Post de 1965, National Vulcanized Fibre Co. figuraba como propietaria de dos fábricas que producían papel de trapo para fibra vulcanizada. Estaban en Newark, produciendo 15 toneladas al día; y Yorklyn, produciendo 18 toneladas al día. Esto se compara con la planta de Tonawanda de Spaulding Fiber , que en ese entonces producía 40 toneladas al día (directorio del Post). Los competidores también producían baquelita , pero las comercializaban con nombres diferentes: la marca de Spaulding era Spauldite y la de National era Phenolite y la de Iten Industries, Resiten o Itenite.
El proceso comenzó con papel hecho a partir de trapos de algodón . Antes del procesamiento de pulpa de madera y pulpas de madera químicas a mediados del siglo XIX, la fuente de fibra dominante para la fabricación de papel eran trapos de algodón y lino. La hoja de trapo de algodón producida para la conversión a fibra vulcanizada se fabrica como una hoja adecuada para saturar. Un papel se fabrica para saturar omitiendo cualquier aditivo de encolado, 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 encolado interno (agregado con batidor ) proporcionado por colofonia , anhídrido alquil succínico (ASA) o dímero de alquil cetena (AKD) y un encolado superficial proporcionado por almidón . Una hoja hecha para saturar no tendría ninguno de esos ingredientes químicos. El papel de fibra de algodón saturante sin encolar preparado para fibra vulcanizada pasaría por una tina que contiene una solución de cloruro de zinc.
El cloruro de cinc es muy soluble en agua. La solución utilizada para saturar el papel tenía una densidad de 70 Baumé (gravedad específica de 1,93) y una temperatura de aproximadamente 43,3 °C (109,9 °F; 316,4 K). [15] Se trata de una solución de cloruro de cinc al 70 % aproximadamente. El cloruro de cinc es un ácido de Lewis suave con un pH de solución de aproximadamente 4. El cloruro de cinc puede disolver la celulosa, el almidón y la seda. El cloruro de cinc utilizado para fabricar fibra vulcanizada hinchó y gelatinizó la celulosa. La hinchazón de la fibra explica por qué no se pueden utilizar filtros de papel para filtrar soluciones de cloruro de cinc. También es la razón por la que se utilizaron varias capas de papel para construir hasta el espesor deseado de fibra vulcanizada, 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 prensaron juntas. 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, pudo 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 podía ocurrir estaba limitada por 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 era demasiado rápida, las fuerzas osmóticas podían provocar separaciones de las capas. La concentración final del baño de lixiviación fue de 0,05% de cloruro de zinc. Se pueden realizar 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 una lámina laminada discreta (similar en tamaño (LxA) a la madera contrachapada) mediante el proceso de corte. Las láminas cortadas se colocaron en estanterías y se trasladaron de un tanque a otro mediante grúas con orugas elevadas. Cada tanque se concentró menos sucesivamente hasta que se alcanzó el 0,05 % deseado. Cuanto más grueso era el material, más tiempo se tardaba en lixiviar el cloruro de zinc al 0,05 %. Para los productos más gruesos, se necesitaban tiempos de 18 meses a 2 años. El cloruro de zinc utilizado en estos procesos no se consumía en su mayor parte para lograr la unión deseada. De hecho, cualquier dilución del cloruro de zinc resultante de la lixiviación se solucionaba utilizando evaporadores para llevar la solución de cloruro de zinc de nuevo a los 70 Baume necesarios para volver a utilizarla para la saturación. En cierto sentido, el cloruro de zinc puede considerarse un catalizador en la fabricación de la fibra vulcanizada.
Una vez que la fibra vulcanizada se libera del cloruro de cinc, se seca hasta que alcanza un 5 o 6 por ciento de humedad y se prensa o calandra hasta que queda plana. La fibra vulcanizada obtenida mediante un proceso continuo se puede entonces laminar o enrollar en rollos. La densidad de la fibra vulcanizada terminada es de 2 a 3 veces mayor que la del papel del que se obtiene. El aumento de la densidad es el resultado de una contracción del 10 % en la dirección de la máquina, del 20 % en la dirección transversal a la máquina y del 30 % en el espesor. [ cita requerida ]
El producto final es una masa homogénea de casi 100% celulosa libre de pegamentos, resinas o aglutinantes artificiales. La fibra vulcanizada terminada tiene propiedades mecánicas y eléctricas útiles. Ofrece alta resistencia al desgarro y a la tracción, mientras que en los espesores más delgados permite flexibilidad para adaptarse a curvas y dobleces. En espesores más gruesos, se puede moldear para darle forma 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 transversal. [16]
Las propiedades eléctricas que exhibe la fibra vulcanizada son un alto valor aislante y resistencia al arco eléctrico y a la formación de pistas 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 no si los niveles de humedad eran altos, sino porque mostró una resistencia mucho mejor a la formación de pistas y a la descomposición que los primeros polímeros rellenos de harina de madera como la baquelita .
La fibra vulcanizada muestra una alta resistencia a la penetración de la mayoría de los disolventes orgánicos, aceites y derivados del petróleo.