レッドファイバーとも呼ばれる加硫繊維は、セルロースのみで構成された積層プラスチックです。この素材は、アルミニウムよりも軽く、革よりも丈夫で、ほとんどの熱可塑性プラスチックよりも硬い、強靭で弾力性のある角のような素材です。新しい木材積層グレードの加硫繊維は、スキー、スケートボード、支持梁に使用される木材積層板の強化や、 薄い木材ベニヤの下のサブラミネートとして使用されます
バルカナイズド繊維によく似た製品にレザーロイドがありますが、レザーロイドは異なる化学プロセスを使用して製造されます。 2004年以降、科学界は再生可能性と優れた物理的特性のためにこの材料に再び興味を持ち、全セルロース複合材料の分野が誕生しました。[1]これらの複合材料はすべて、溶解または部分的に溶解したセルロースからなるマトリックスでできており、強化材はセルロース繊維のままです。塩化亜鉛以外のさまざまな溶媒が研究されており、低温での水酸化ナトリウムやイオン液体などがあります。[2] [3]元々のアイデアは、複合材料に異方性の機械的特性を与えるために長い強化繊維（ラミー、亜麻、ビスコースなど）を使用することでしたが、この分野ではナノセルロースの使用も研究されています。
用途
加硫繊維は、ビクトリア朝時代以降、工学において長い歴史を持っています。現在では、主に合成ポリマーを中心とした高性能材料が数多く存在しますが、繊維は広く応用され、現在でも多くの用途を維持しています。繊維は、それ自体の強度に頼るよりも、機械的に剛性の高い部品間の薄い部分でより強くなるため、主にワッシャー、ガスケット、さまざまなシムやパッキング部品 として使用されてきました
ファイバーワッシャーは、配管継手や一般的な配管工事のシールに用いられる、最も安価なコンフォーマルエラストマーガスケットの一つです。水に触れるとわずかに膨張するため、良好なシール性を発揮します。また、温度が高すぎない限り、炭化水素系ガスケットにも使用できます。ゴムとは異なり、ファイバーワッシャーシールは使い捨て製品です。
ファイバーシートは複雑な形状に打ち抜くことが容易なため、成形ガスケットに広く使用されています。これらは、シーリング材、断熱材、または機械スペーサーとして使用できます。
1930年代に近代的なプラスチックが開発されるまで、繊維は多くの小型部品の標準的な電気絶縁材料でした。繊維はサイズに合わせて容易に切断でき、大量生産でも、手作業でトリミングして取り付けることもできました。特にモーターの巻線など、大型機械の組み立てによく使用されていました。
初期のスイスアーミーナイフの中には、加硫繊維製のハンドルを使用したものもありました。
歴史
加硫繊維に関する英国特許は、1859年にイギリス人のトーマス・テイラーによって取得されました。[4]彼は1856年のセルロイドの導入後、1894年のビスコースレーヨン（再生セルロース）の発明前に特許を取得しました。1871年、トーマス・テイラーは加硫繊維に関する米国特許を取得しました。[5] [6]加硫繊維を製造する最初の組織化された工業会社は、1873年6月19日にウィリアム・コートネイが社長、チャールズ・F・コビーが秘書を務めたニューヨーク法人として設立されたヴァルカナイズド・ファイバー・カンパニーでした[7]ニューヨーク初の法人は1873年のニューヨーク市名簿にも記載されており[8]、そこにはウィリアム・コートネイ社長とチャールズ・F・コビー秘書も1873年に記載されていた。1873年から1878年まで、ヴァルカナイズド・ファイバー社のニューヨーク事務所住所はデイ通り17番地、工場はデラウェア州ウィルミントンにあった。このことは、この時期に様々な出版物に掲載された多くの広告からも分かる。[9] 1873年にデラウェア州から特別認可[10]が交付され、最終的にデラウェア法人が1875年2月8日に設立された[11]。ウィリアム・コートネイ社長とクレメント・B・スミス秘書が記載されている。
1884年、ニューヨーク州のコートネイ＆トラル社はバルカナイズドファイバー社[12]に合併され、同社は「ゼラチン化繊維」という商標で呼ばれる新発明の管理権を獲得しました。
1901年12月4日、合併と統合の過程で、Vulcanized Fibre Co. [13]は社名を「American Vulcanized Fiber Co.」に変更しました。これは、デラウェア州ウィルミントンの Kartavert Mfg. Company、デラウェア州ニューアークの American Hard Fibre Company、デラウェア州ウィルミントンの Vulcanized Fibre Company、およびマサチューセッツ州ノースケンブリッジの Laminar Fibre Company を統合する目的で設立されました。
1922年、デラウェア州ヨークリンのナショナル・ファイバー・アンド・インシュレーション・カンパニー（キーストーン・ファイバー社の所有者でもあった）が直接買収したため、社名が再び変更されました。当時のナショナル・ファイバー・カンパニーの社長はJ・ウォーレン・マーシャルで、新会社「ナショナル・バルカナイズド・ファイバー・カンパニー」への統合後も社長に就任しました。
1965年に、長年にわたる新しい製品ラインの変更による混乱を避けるために、社名は再びNVF社に変更されました。[14]
デラウェア州北部のピードモント川の水力は、バルカナイズドファイバー事業に携わる企業の急増につながりました。長年にわたり、これらの企業は再編や合併を繰り返しました。1922年、ナショナル・バルカナイズド・ファイバー社が、デラウェア州で産業が始まってからほぼ四半世紀後、 ニューハンプシャー州ロチェスターとニューヨーク州トナワンダでバルカナイズド製品の開発を開始していたスポールディング・ファイバー社の最大の競合企業として台頭しました。
ウィルミントン地域で加硫繊維の開発に携わった企業には、ナンサッチ・ファイバー社、アメリカン・ハード・ファイバー社、アメリカン・バルカナイズド・ファイバー社、コンチネンタル・ファイバー社、ダイアモンド・ステート・ファイバー社、フランクリン・ファイバー社などがあった。1965年のポスト紙パルプ・アンド・ペーパー・ディレクトリには、ナショナル・バルカナイズド・ファイバー社が、加硫繊維用のぼろ紙を生産する2つの工場を所有していると記載されていた。ニューアーク工場では1日15トン、ヨークリン工場では1日18トンを生産していた。これは、スポールディング・ファイバー社のトナワンダ工場が当時1日40トンを生産していたことと匹敵する（ポスト紙ディレクトリ）。競合他社もベークライトを生産していたが、それぞれ異なる名前で販売していた。スポールディング社はスポールダイト、ナショナル社はフェノライト、アイテン・インダストリーズ社はレジテンまたはアイテンナイトであった。
プロセス
このプロセスは、綿ぼろ布から作られた紙から始まりました。19世紀半ばに木材パルプや化学木材パルプが加工される以前は、製紙の主な繊維源は綿と麻のぼろ布でした。バルカナイズド繊維に変換するために製造される綿ぼろ布シートは、含浸に適したシートのように作られています。紙は、ビーター添加または表面塗布のいずれかのサイズ剤を省略することで、含浸用に作られています。今日、筆記、印刷、コーティング用に作られるほとんどの紙シートは、ロジン、アルキルコハク酸無水物（ASA）、またはアルキルケテンダイマー（AKD）によって提供される内部（ビーター添加）サイズと、デンプンによって提供される表面サイズを備えています。含浸用に作られたシートには、これらの化学成分は一切含まれていません。バルカナイズド繊維用に準備された、サイズ剤を含まない含浸綿繊維紙は、塩化亜鉛溶液の入ったバットに通されます
塩化亜鉛
塩化亜鉛は水に非常に溶けやすい。紙を飽和させるために使用した溶液は、密度70ボーメ(比重 1.93)、約 43.3 °C (109.9 °F; 316.4 K) であった。 [15]これは、約 70% の塩化亜鉛溶液である。塩化亜鉛は、溶液 pH が約 4 の弱いルイス酸である。塩化亜鉛は、セルロース、デンプン、絹を溶かすことができる。バルカナイズド繊維の製造に使用される塩化亜鉛は、セルロースを膨潤させ、ゲル化させる。繊維が膨潤するため、紙フィルターは塩化亜鉛溶液をろ過するために使用できない。また、これは、1 枚の板紙の厚さを処理するのではなく、複数の紙の層を使用して、必要なバルカナイズド繊維の厚さに積み重ねる理由でもある。たとえば、1 枚の板紙の層 0.32 mm ではなく、厚さ 0.04 mm の紙の層を 8 つ使用するのが一般的であった。
プレス
紙層がゲル化塩化亜鉛で飽和したら、それらをプレスします。プレスによりセルロース繊維が密着し、セルロース鎖間の結合が促進されます。結合が確立されると、加硫繊維から塩化亜鉛を浸出させるプロセスが開始されます。塩化亜鉛の浸出（拡散による除去）は、加硫繊維を濃度の低い塩化亜鉛溶液に連続的に浸すことによって達成されました。この速度は浸透圧によって制限されます。加硫繊維を濃度の低い塩化亜鉛溶液に浸す速度が速すぎると、浸透圧によって層が分離する可能性があります。最終的な浸出浴の濃度は0.05%の塩化亜鉛でした。最大0.093インチ（= 2.4 mm）の厚さを、長さ1,000フィート（305m）まで伸びる連続ラインで製造できます
バット
厚さが0.093インチ（2.4mm）以上0.375インチ（9.5mm）までの場合、カットダウン工程によって個別の積層シート（サイズ（長さ×幅）は合板に類似）が製造されました。カットダウンシートは、オーバーヘッドクレーンによってラックに収納され、バットからバットへと移動されました。各バットは、所望の0.05%に達するまで、順次濃度を下げていきました。材料が厚いほど、塩化亜鉛を0.05%まで浸出するのに時間がかかりました。最も厚い製品の場合、18か月から2年かかりました。これらの工程で使用された塩化亜鉛は、所望の結合を達成するためにほとんど消費されませんでした。実際、浸出によって生じた塩化亜鉛の希釈は、蒸発器を使用して塩化亜鉛溶液を飽和に再び使用するために必要な70ボーメ度に戻すことで処理されました。ある意味で、塩化亜鉛は加硫繊維の製造における触媒と考えることができます
乾燥して圧縮された
塩化亜鉛が除去された加硫繊維は、水分含有量が5～6%になるまで乾燥され、プレス加工またはカレンダー加工によって平坦化されます。連続製法で製造された加硫繊維は、シート状にしたり、ロール状に巻き取ったりすることができます。完成した加硫繊維の密度は、原料となる紙の2～3倍になります。この密度増加は、機械方向の収縮が10%、機械横方向の収縮が20%、厚さ方向の収縮が30%となることで生じます。[要出典]
特性
最終製品は、人工接着剤、樹脂、結合剤を含まない、均質でほぼ100%セルロースの塊です。完成した加硫繊維は、有用な機械的および電気的特性を備えています。高い引裂強度と引張強度を備え、薄い厚みでは曲線や曲げに柔軟に対応します。厚い場合は、蒸気と圧力で成形できます。加硫繊維の物理的強度を証明する用途の一つは、重いサンディングディスクに適した材料であることです。物理的強度はローラーカレンダー加工により異方性があり、通常、シートの横方向ではなく縦方向に50%強くなります。[16]
加硫繊維の電気特性は、高い絶縁性、そして110～120℃までの使用温度における耐アーク性および耐トラック性です。20世紀半ばの大部分において、繊維は電気絶縁体として広く利用されていました。これは、絶縁体としての耐性が特に優れていたからではなく、特に湿度の高い環境下では劣っていたためであり、ベークライトのような初期の木粉入りポリマーよりもはるかに優れた耐トラッキング性および耐破壊性を示していたためです。
加硫繊維は、ほとんどの有機溶剤、油、石油誘導体の浸透に対して高い耐性を示します。
グレード
- 商用グレード。標準的なグレー、黒、または赤で、ワッシャー、ガスケット、ギア、ハンドルなど、多くの用途に使用されます
- 電気グレード: 高誘電性グレー、綿 100%、非常に柔軟 (歴史的にはフィッシュペーパーと呼ばれています)。このグレードは層および地面の絶縁に適しており、小型モーターのウェッジに使用されるトップスティック グレードを含むさまざまなバリエーションがあります。
- トランク ファイバー: 丈夫で耐摩耗性に優れており、汽船のトランク、ドラム ケース、摩耗および滑り止めパネルの表面に使用されます。
- 骨繊維: 非常に硬く、密度が高いため、タイトな機械加工、チューブ、ビリヤードのキューのフェルール (先端)、カットアウトヒューズなどに使用されます。
- 木材ラミネート: 強靭で多方向の引張およびねじり強度があり、木材ラミネートが使用されるあらゆる場所でサポートと強度を提供します。特に、薄くて珍しいベニア板の下で安定剤/強化剤として使用されます。
参考文献
- ^ Huber, Tim; Müssig, Jorg; Curnow, Owen; Pang, Shusheng; Bickerton, Simon; Staiger, Mark (2012). 「全セルロース複合材料の批評的レビュー」 . Journal of Materials Science . 47 (3): 1171– 1186. Bibcode :2012JMatS..47.1171H. doi :10.1007/s10853-011-5774-3.
- ^ Duchemin, Benoit; Mathew, Aji; Oksman, Kristiina (2009). 「イオン液体1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムクロリドへの部分溶解による全セルロース複合材料」.複合材料パートA：応用科学と製造. 40 (12): 1171– 1186. doi :10.1016/j.compositesa.2009.09.013.
- ^ Dormanns, Jan; Schuermann, Jeremias; Müssig, Jorg; Duchemin, Benoit; Staiger, Mark (2016). 「NaOH/尿素系溶媒を用いた全セルロース複合材積層板の溶媒注入処理」『複合材料パートA：応用科学と製造』 82 : 130–140 . doi : 10.1016/j.compositesa.2015.12.002.
- ^ パイククリーク：デラウェア川北部の産業と農業、p 4-8。
- ^ 「プラスチックの歴史：プラスチックの販売業者と製造業者」、Plastics Magazine
- ^ テイラー、トーマス、「紙および紙パルプの処理の改良」、米国特許 114,880、1871年5月16日付与。
- ^ 「デラウェア州の歴史」第2巻415ページ
- ^ ニューヨーク市記録簿 34ページ
- ^ “Early Known Insulating Materials (incl Vulcanized Fibre Co)”. 2011年7月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年12月8日閲覧。
- ^ デラウェア州の産業：歴史的および記述的レビュー：都市、町、事業利益、制度、製造、商業的利点
- ^ デラウェア州法、第15巻
- ^ Courtenay & Trull Co. NY は Vulcanized Fibre Co. に合併されました。
- ^ VULCANIZED FIBER COMPANY - AMERICAN VULCANIZED FIBRE CO. という新しい名前で合併。
- ^ ファイバー会社沿革と合併ツリー
- ^ ジェームズ・P・ケイシー著『パルプ・紙化学と化学技術』第2巻、改訂増補第2版：インターサイエンス出版社、ニューヨーク、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社、ニューヨーク、1952年、1960年、米国議会図書館60-13120、1967年第3刷、654-655ページ
- ^ 「タフノール加硫繊維シート」タフノール。
