Ацетат целлюлозы

Ацетат целлюлозы — это сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты, искусственный полимер, получаемый путем химической модификации природного полисахарида. Относится к классу термопластичных материалов, обладает рядом ценных свойств: прозрачностью, прочностью, способностью к окрашиванию и биологической инертностью. Широко применяется в производстве текстильных волокон (ацетатный шёлк), пластмасс, фотоплёнки (в прошлом), фильтров для сигарет, мембран и лаков.

История

Первые попытки получения ацетата целлюлозы относятся к середине XIX века. В 1865 году французский химик Поль Шютценбергер впервые обработал целлюлозу уксусным ангидридом, получив частично ацетилированный продукт. Однако практическое значение открытие приобрело лишь после разработки методов промышленного синтеза.

В 1894 году немецкие химики Артур Эйхенгрюн и Теодор Беккер усовершенствовали процесс, предложив использовать в качестве катализатора серную кислоту. Это позволило получать триацетат целлюлозы — полностью ацетилированное производное. Первые коммерческие партии ацетата целлюлозы были выпущены в начале XX века.

Ключевым этапом стало изобретение в 1918 году швейцарскими химиками братьями Камиллом и Анри Дрейфусами технологии производства ацетатного волокна. В 1920-х годах компания Celanese (Великобритания) начала промышленный выпуск ацетатного шёлка, который быстро завоевал популярность благодаря своей мягкости, блеску и способности имитировать натуральный шёлк.

В 1930-х годах ацетат целлюлозы начали использовать для производства фотоплёнки (основа — ацетатцеллюлозная подложка). В 1940-х годах он стал основным материалом для киноплёнки, заменив нитроцеллюлозу, которая была пожароопасной. С 1950-х годов ацетат целлюлозы применяется в производстве сигаретных фильтров.

Химическое строение и получение

Строение

Ацетат целлюлозы представляет собой продукт замещения гидроксильных групп (-OH) в молекуле целлюлозы на ацетильные группы (-COCH₃). Степень замещения (число ацетильных групп на одно глюкозное звено) определяет свойства полимера. Различают:

• Триацетат целлюлозы (степень замещения ~2,8–3,0) — полностью ацетилированный продукт, растворимый только в органических растворителях (метиленхлорид, хлороформ).
• Диацетат целлюлозы (степень замещения ~2,2–2,5) — частично ацетилированный, растворимый в ацетоне и смесях ацетона с водой.

Синтез

Промышленный синтез ацетата целлюлозы осуществляется в несколько стадий:

1. Активация целлюлозы. Исходное сырьё — очищенная древесная или хлопковая целлюлоза — обрабатывается уксусной кислотой для набухания волокон.
2. Ацетилирование. Активированная целлюлоза реагирует с уксусным ангидридом в присутствии катализатора (серная или хлорная кислота). Реакция протекает при температуре 30–50 °C.
3. Гидролиз. Полученный триацетат частично гидролизуют добавлением воды для получения диацетата с нужной степенью замещения.
4. Осаждение. Продукт высаждают из раствора водой, промывают и сушат.

Свойства

Физические свойства

• Внешний вид: бесцветная или слегка желтоватая прозрачная масса (в виде гранул, плёнки, волокна).
• Плотность: 1,28–1,32 г/см³.
• Температура плавления: 230–300 °C (с разложением). Триацетат имеет более высокую температуру плавления, чем диацетат.
• Термостойкость: до 150–180 °C.
• Растворимость: диацетат растворим в ацетоне, метилацетате, циклогексаноне; триацетат — в хлорированных углеводородах (хлороформ, дихлорметан). Нерастворим в воде, спиртах, эфирах.
• Гигроскопичность: низкая (менее 5% влагопоглощения).

Химические свойства

• Устойчивость: стоек к действию слабых кислот, щелочей, масел, жиров. Разрушается концентрированными кислотами и щелочами.
• Горючесть: горюч, но менее пожароопасен, чем нитроцеллюлоза. При горении выделяет уксусную кислоту и другие продукты разложения.
• Биоразлагаемость: в естественных условиях разлагается медленно (годы), но быстрее, чем синтетические полимеры (полиэтилен, полипропилен).

Механические свойства

• Прочность на разрыв: 30–60 МПа (для волокна — до 150 МПа).
• Относительное удлинение: 10–30%.
• Твёрдость: по Шору D — 70–85.
• Прозрачность: высокая (пропускает до 90% видимого света).

Применение

Текстильная промышленность

Ацетатное волокно (ацетатный шёлк) — одно из основных применений. Волокно получают формованием из раствора ацетата целлюлозы в ацетоне (сухой способ) с последующим вытягиванием. Характеризуется мягкостью, блеском, драпируемостью, низкой сминаемостью. Используется для производства:

• подкладочных тканей;
• платьевых и блузочных тканей;
• галстуков, шарфов;
• трикотажа;
• технических тканей (фильтровальные, электроизоляционные).

Производство пластмасс

Ацетат целлюлозы применяется для изготовления термопластичных изделий методом литья под давлением, экструзии и прессования. Из него производят:

• оправы для очков;
• ручки инструментов;
• детали приборов;
• игрушки;
• упаковку (блистеры, коробки).

Фильтры для сигарет

С 1950-х годов ацетат целлюлозы является основным материалом для сигаретных фильтров. Волокна ацетата целлюлозы скручиваются в жгут, который затем нарезается на фильтры. Материал эффективно задерживает смолы и никотин, придавая фильтру жёсткость и форму.

Фотография и кинематограф

В 1930–1990-х годах ацетат целлюлозы (триацетат) был основным материалом для подложки фотоплёнки и киноплёнки. Он заменил пожароопасную нитроцеллюлозу. В настоящее время вытеснен полиэфирными плёнками (полиэтилентерефталат).

Медицина и фармацевтика

• Мембраны: ацетатцеллюлозные мембраны используются для диализа (гемодиализ), микрофильтрации и ультрафильтрации.
• Лекарственные формы: ацетат целлюлозы применяется для создания оболочек таблеток с контролируемым высвобождением.

Лаки и покрытия

Ацетат целлюлозы входит в состав лаков для дерева, металла, кожи. Обеспечивает прочное, прозрачное, стойкое к истиранию покрытие.

Экологические аспекты

Ацетат целлюлозы считается более экологичным, чем многие синтетические полимеры, поскольку получается из возобновляемого сырья (целлюлозы). Однако его биоразлагаемость в природных условиях ограничена. В почве и воде он разлагается в течение 1–3 лет, что быстрее, чем полиэтилен (сотни лет), но медленнее, чем натуральные волокна (хлопок, шерсть).

Основные экологические проблемы связаны с утилизацией сигаретных фильтров — миллионы тонн отходов ежегодно попадают в окружающую среду. Ведутся исследования по созданию биоразлагаемых фильтров на основе модифицированного ацетата целлюлозы.

Источники

1. Энциклопедия полимеров. Т. 1. — М.: Советская энциклопедия, 1972.
2. Химическая энциклопедия. Т. 1. — М.: Большая российская энциклопедия, 1992.
3. Технология пластических масс. Под ред. В. В. Коршака. — М.: Химия, 1985.
4. Промышленные полимерные материалы. / Под ред. Е. М. Гринберга. — М.: Химия, 1990.
5. Патентная и научная литература по ацетату целлюлозы (публикации 1920–2020 гг.).