Ацетилцеллюлоза

Ацетилцеллюлоза — это сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты, один из наиболее распространённых и технологически значимых производных природного полимера. Представляет собой термопластичный полимер, который в зависимости от степени замещения (ацетилирования) может обладать различными свойствами — от растворимости в органических растворителях до высокой термостойкости и прочности. Ацетилцеллюлоза широко применяется в производстве пластмасс, лаков, киноплёнки, фотоплёнки, мембран для фильтрации, а также в текстильной промышленности (ацетатное волокно).

История

Впервые ацетилцеллюлоза была получена в 1865 году французским химиком Полем Шютценбергером, который обрабатывал целлюлозу уксусным ангидридом в присутствии серной кислоты. Однако практическое применение материала началось значительно позже. В 1894 году английские химики Чарльз Кросс и Эдвард Бивен разработали промышленный метод получения ацетилцеллюлозы, но из-за высокой стоимости производства и сложности переработки она не получила широкого распространения.

Прорыв произошёл в начале XX века. В 1904 году немецкий химик Артур Айхенгрюн предложил использовать ацетилцеллюлозу для производства негорючей киноплёнки, что стало ответом на проблему пожароопасности нитроцеллюлозной плёнки. В 1910-х годах компания «Celluloid Corporation» (США) начала выпуск ацетилцеллюлозных пластиков. В 1920-е годы технология была усовершенствована, и ацетилцеллюлоза стала основным материалом для киноплёнки, вытеснив нитроцеллюлозу. В 1930-е годы началось промышленное производство ацетатного волокна, которое использовалось для изготовления тканей и фильтров.

В СССР производство ацетилцеллюлозы было освоено в 1930-х годах на заводе «Химволокно» (ныне — «Сибур-Химпром»). В послевоенные годы ацетилцеллюлоза активно применялась в авиастроении (для изготовления прозрачных элементов кабин), в электротехнике (изоляция) и в бытовой химии.

Химическая структура и свойства

Химическое строение

Ацетилцеллюлоза образуется в результате реакции этерификации целлюлозы уксусной кислотой или уксусным ангидридом. В ходе реакции гидроксильные группы (-OH) в глюкозных звеньях целлюлозы замещаются ацетатными группами (-O-CO-CH₃). Степень замещения (степень ацетилирования) определяет растворимость и физико-механические свойства полимера. Обычно различают:

• Триацетат целлюлозы — степень замещения 2,8–3,0 (почти полное ацетилирование). Растворим в хлороформе, дихлорметане, нерастворим в ацетоне. Обладает высокой термостойкостью и прочностью.
• Диацетат целлюлозы — степень замещения 2,0–2,5. Растворим в ацетоне, циклогексаноне, смесях растворителей. Более пластичен, чем триацетат.

Физические свойства

• Плотность: 1,27–1,33 г/см³ (в зависимости от степени замещения).
• Температура плавления: 230–260 °C (с разложением).
• Температура стеклования: 120–180 °C.
• Предел прочности при растяжении: 30–70 МПа.
• Относительное удлинение при разрыве: 10–40 %.
• Водопоглощение: 2–5 % (за 24 часа).
• Растворимость: в органических растворителях (ацетон, хлороформ, дихлорметан, уксусная кислота); нерастворима в воде, спиртах, углеводородах.

Химические свойства

Ацетилцеллюлоза устойчива к действию разбавленных кислот и щелочей, но гидролизуется (разрушается) под действием концентрированных кислот и щелочей при нагревании. Она негорюча (не поддерживает горение) и обладает высокой стойкостью к ультрафиолетовому излучению. При нагревании выше 200 °C начинается термическая деструкция с выделением уксусной кислоты.

Классификация и виды

По степени ацетилирования и назначению ацетилцеллюлозу подразделяют на несколько типов:

По степени замещения

• Триацетат целлюлозы (ТАЦ) — используется для производства киноплёнки, фотоплёнки, мембран, а также в качестве основы для магнитных лент.
• Диацетат целлюлозы (ДАЦ) — применяется для изготовления пластмасс, лаков, ацетатного волокна, а также в производстве фильтров (например, сигаретных).

По назначению

• Пластическая ацетилцеллюлоза — термопластичный материал, используемый для литья под давлением, экструзии, прессования. Из неё изготавливают корпуса приборов, детали автомобилей, игрушки.
• Волокнообразующая ацетилцеллюлоза — используется для получения ацетатного волокна (ацетатного шёлка) и триацетатного волокна.
• Плёночная ацетилцеллюлоза — основа для фотографических и кинематографических материалов.
• Лаковая ацетилцеллюлоза — компонент лаков, эмалей, клеёв.

Технология производства

Промышленное производство ацетилцеллюлозы осуществляется в несколько стадий:

1. Подготовка целлюлозы. Используется древесная целлюлоза (обычно хвойных пород) или хлопковая целлюлоза. Целлюлозу измельчают, сушат и активируют (обрабатывают уксусной кислотой для набухания).
2. Ацетилирование. Целлюлозу обрабатывают смесью уксусного ангидрида, уксусной кислоты и катализатора (обычно серной кислоты) при температуре 30–50 °C. Реакция длится 2–6 часов. Получается триацетат целлюлозы.
3. Гидролиз (для получения диацетата). Триацетат частично гидролизуют добавлением воды и слабой кислоты до достижения нужной степени замещения. Этот процесс контролируют по вязкости раствора.
4. Осаждение и промывка. Полученный раствор ацетилцеллюлозы выливают в воду, где полимер осаждается в виде хлопьев. Затем его промывают водой для удаления кислот и катализатора.
5. Сушка и грануляция. Осаждённую ацетилцеллюлозу сушат при 60–80 °C, затем гранулируют или перерабатывают в порошок.

Применение

Киноплёнка и фотоплёнка

Ацетилцеллюлоза (особенно триацетат) была основным материалом для киноплёнки с 1920-х до 2000-х годов. Её преимущества перед нитроцеллюлозой — негорючесть, высокая прозрачность, стабильность размеров. С появлением цифровых технологий использование ацетилцеллюлозной плёнки резко сократилось, но она продолжает применяться в архивном и реставрационном деле.

Ацетатное волокно

Ацетатное волокно (ацетатный шёлк) получают из диацетата целлюлозы. Оно обладает мягкостью, шелковистым блеском, хорошей драпируемостью, но низкой прочностью в мокром состоянии. Используется для производства тканей (подкладки, платья, галстуки), а также в медицине (хирургические нити, перевязочные материалы).

Пластмассы и литьё

Ацетилцеллюлоза используется как термопластичный материал для литья под давлением и экструзии. Из неё изготавливают:

• корпуса бытовых приборов (ручки, корпуса фенов, электробритв);
• детали автомобилей (рулевые колёса, панели приборов);
• игрушки, канцелярские принадлежности;
• очки (оправы);
• упаковку (блистеры, контейнеры).

Лаки и покрытия

Ацетилцеллюлоза входит в состав лаков для дерева, металла, кожи. Лаки на её основе обладают высокой стойкостью к истиранию, хорошей адгезией и устойчивостью к ультрафиолету. Применяются в авиастроении, автомобилестроении, мебельной промышленности.

Мембраны и фильтры

Ацетилцеллюлоза широко используется для изготовления мембран для фильтрации (микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос). Мембраны из ацетилцеллюлозы применяются в водоподготовке, медицине (диализ), пищевой промышленности. Они обладают высокой гидрофильностью, но ограниченной химической стойкостью.

Медицина и фармацевтика

В медицине ацетилцеллюлоза используется для производства:

• хирургических нитей (рассасывающихся);
• мембран для диализа;
• покрытий для таблеток (контролируемое высвобождение);
• контактных линз (жёсткие газопроницаемые линзы).

Экологические аспекты

Ацетилцеллюлоза является биоразлагаемым полимером в условиях компостирования (при наличии влаги, тепла и микроорганизмов). Однако скорость разложения значительно ниже, чем у натуральной целлюлозы. В окружающей среде ацетилцеллюлоза может сохраняться годами. При сжигании выделяет углекислый газ и воду, но не образует токсичных соединений (в отличие от хлорсодержащих полимеров). Переработка ацетилцеллюлозы возможна, но ограничена из-за сложности отделения от других материалов.

Критика и ограничения

Основные недостатки ацетилцеллюлозы:

• Низкая термостойкость — начинает размягчаться при 120–150 °C, что ограничивает применение в горячих средах.
• Гидролиз — в щелочной среде (pH > 9) и при длительном контакте с водой происходит разрушение полимера.
• Низкая прочность на разрыв по сравнению с синтетическими полимерами (полиэтилен, полипропилен).
• Ограниченная стойкость к органическим растворителям — растворяется в ацетоне, хлороформе, что затрудняет использование в химической промышленности.

Интересные факты

• Ацетилцеллюлоза была одним из первых синтетических полимеров, использованных в кинематографе. В 1920-х годах компания «Eastman Kodak» начала выпуск негорючей киноплёнки на её основе.
• В 1930-х годах из ацетилцеллюлозы изготавливали прозрачные элементы кабин самолётов (например, в бомбардировщике ТБ-3).
• Ацетатное волокно до сих пор используется в производстве сигаретных фильтров (около 90 % всех фильтров в мире изготавливаются из ацетата целлюлозы).
• В 1960-х годах ацетилцеллюлоза применялась для изготовления первых искусственных почек (диализные мембраны).

Источники

• Энциклопедия полимеров. Том 1. — М.: Советская энциклопедия, 1972. — С. 312–318.
• Химическая энциклопедия. Том 1. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — С. 456–460.
• Павлов С. А., Шевченко В. В. Технология производства ацетилцеллюлозы. — М.: Химия, 1985. — 240 с.
• ГОСТ 21495-76. Ацетилцеллюлоза. Технические условия. — М.: Издательство стандартов, 1976.
• Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. — 5th ed. — Vol. 5. — Wiley, 2004. — P. 345–389.