Диацетат целлюлозы

Диацетат целлюлозы (также ацетилцеллюлоза, ацетат целлюлозы с содержанием связанной уксусной кислоты 53–56 %) — это сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты, продукт частичного ацетилирования природного полимера. Относится к классу термопластичных полимеров, обладает способностью к формованию и плёнкообразованию. Является одним из наиболее распространённых промышленных производных целлюлозы, применяется для изготовления ацетатного волокна, киноплёнки, пластических масс, лаков и мембран.

История

Первые эксперименты по ацетилированию целлюлозы были проведены в 1865 году французским химиком Полем Шютценбергером. Однако практическое значение диацетат целлюлозы приобрёл лишь в начале XX века, когда в 1904 году немецкие химики Артур Айхенгрюн и Теодор Беккер разработали промышленный метод получения ацетатного волокна. В 1910-х годах компания «Cellon» (Германия) начала выпуск ацетатного шёлка, а в 1920-х годах — негорючей киноплёнки на основе диацетата целлюлозы, которая пришла на смену пожароопасной нитроцеллюлозе.

В СССР производство диацетата целлюлозы было освоено в 1930-х годах на заводе «Химволокно» (ныне входит в структуру «Росхимволокно»). К середине XX века ацетатное волокно стало одним из основных видов искусственных волокон, уступая лишь вискозе. В 1950-х годах началось применение диацетата целлюлозы для изготовления мембран для обратного осмоса и диализа.

Получение

Диацетат целлюлозы получают путём частичного гидролиза триацетата целлюлозы (полностью ацетилированного продукта). Процесс включает несколько стадий:

1. Активация целлюлозы — обработка хлопковой или древесной целлюлозы уксусной кислотой для разрыхления структуры.
2. Ацетилирование — обработка активированной целлюлозы смесью уксусного ангидрида, уксусной кислоты и катализатора (обычно серной или хлорной кислоты). Реакция идёт при температуре 20–40 °C в течение 2–6 часов.
3. Гидролиз — частичное омыление триацетата до диацетата с содержанием связанной уксусной кислоты 53–56 %. Для этого в реакционную массу добавляют воду и выдерживают при 40–60 °C.
4. Осаждение — выделение диацетата целлюлозы из раствора путём добавления воды или разбавленной уксусной кислоты. Полученный продукт промывают, сушат и измельчают.

Основные параметры качества: степень замещения (количество ацетильных групп на одно глюкозное звено) — от 2,2 до 2,5; вязкость растворов; содержание влаги (не более 3 %).

Свойства

Физические и химические свойства

• Внешний вид: белый или слегка желтоватый порошок или гранулы.
• Плотность: 1,28–1,32 г/см³.
• Температура плавления: 230–260 °C (с разложением).
• Температура стеклования: 170–190 °C.
• Растворимость: растворяется в ацетоне, этилацетате, диоксане, циклогексаноне; нерастворим в воде, спиртах, углеводородах.
• Предел прочности при растяжении: 30–60 МПа (для плёнок).
• Относительное удлинение при разрыве: 10–30 %.
• Водопоглощение: 2–5 % (за 24 часа).

Термические свойства

Диацетат целлюлозы является термопластом, но его переработка затруднена из-за узкого интервала температур плавления и склонности к разложению. Обычно его формуют из растворов (сухой или мокрый способ) или путём прессования при 180–200 °C с добавлением пластификаторов (дибутилфталат, триацетин).

Химическая стойкость

Устойчив к действию слабых кислот и щелочей, масел, жиров, углеводородов. Разрушается концентрированными минеральными кислотами и щелочами при нагревании. Под действием ультрафиолета медленно желтеет и теряет прочность.

Виды и классификация

По степени ацетилирования и области применения различают:

• Диацетат целлюлозы для волокон — содержание связанной уксусной кислоты 53–55 %, высокая вязкость растворов. Используется для производства ацетатного шёлка и штапельного волокна.
• Диацетат целлюлозы для плёнок — содержание уксусной кислоты 54–56 %, низкая вязкость. Применяется для изготовления киноплёнки, фотоплёнки, упаковочных материалов.
• Диацетат целлюлозы для пластиков — содержание уксусной кислоты 53–55 %, с добавлением пластификаторов. Используется для литья под давлением (ручки, оправы очков, игрушки).
• Диацетат целлюлозы для мембран — высокая степень чистоты, специальная обработка для получения пористой структуры. Применяется в фильтрации и диализе.

Применение

Ацетатное волокно

Основная область применения диацетата целлюлозы — производство искусственного волокна (ацетатного шёлка). Волокно получают сухим формованием: раствор диацетата в ацетоне продавливают через фильеры в нагретую камеру, где растворитель испаряется, а нити затвердевают. Ацетатное волокно обладает мягкостью, шелковистым блеском, низкой гигроскопичностью (6–8 %), хорошей драпируемостью. Используется для изготовления тканей (подкладки, платья, блузки), трикотажа, а также в качестве наполнителя для сигаретных фильтров.

Плёнки и мембраны

Диацетат целлюлозы широко применяется для производства киноплёнки (как основа для фотографических и кинематографических материалов), а также для упаковочных плёнок (в том числе для пищевых продуктов). Благодаря низкой горючести и стабильности размеров, он долгое время был основным материалом для профессиональной киноплёнки. В настоящее время частично вытеснен полиэфирными плёнками, но продолжает использоваться для архивных и специальных целей.

Мембраны из диацетата целлюлозы применяются в обратном осмосе, ультрафильтрации и диализе (например, в аппаратах «искусственная почка»). Они обладают высокой селективностью по отношению к солям и органическим веществам.

Пластические массы

Диацетат целлюлозы используется для изготовления различных изделий методом литья под давлением и экструзии: оправы для очков, ручки инструментов, авторучки, игрушки, детали приборов. Материал легко окрашивается, полируется, обладает приятным тактильным ощущением.

Лаки и клеи

Растворы диацетата целлюлозы в ацетоне или этилацетате применяются для производства лаков (для дерева, металла, кожи) и клеев (для бумаги, ткани, кожи). Лаки на основе диацетата образуют прочные, эластичные, стойкие к атмосферным воздействиям покрытия.

Медицина и фармацевтика

В медицине диацетат целлюлозы используется для изготовления мембран для диализа, а также в качестве материала для некоторых видов хирургических нитей и плёнок для ран. В фармацевтике применяется как оболочка для таблеток (замедленное высвобождение) и как компонент трансдермальных терапевтических систем.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Низкая горючесть (по сравнению с нитроцеллюлозой).
• Хорошая прозрачность и блеск.
• Высокая механическая прочность (для плёнок).
• Устойчивость к маслам, жирам, углеводородам.
• Биосовместимость (для медицинских применений).
• Возможность переработки из растворов.

Недостатки

• Низкая термостойкость (разлагается при 230–260 °C).
• Высокая гигроскопичность (по сравнению с синтетическими полимерами).
• Склонность к старению под действием УФ-излучения.
• Ограниченная растворимость (только в полярных органических растворителях).
• Относительно высокая стоимость по сравнению с синтетическими полимерами (полиэтилен, полипропилен).

Экологические аспекты

Диацетат целлюлозы является биоразлагаемым материалом: в почве и воде под действием микроорганизмов он разлагается на углекислый газ и воду в течение нескольких месяцев (в зависимости от условий). Однако в анаэробных условиях (например, на свалках) разложение замедляется. При сжигании диацетат целлюлозы выделяет уксусную кислоту и углекислый газ, не образуя токсичных соединений (при полном сгорании). Вторичная переработка диацетата целлюлозы возможна, но ограничена из-за сложности отделения от других материалов.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 234–236.
• Энциклопедия полимеров. — М.: Химия, 1972. — Т. 1. — С. 456–460.
• Крылова О. Н., Морозова Е. В. Технология производства ацетатного волокна. — М.: Легпромбытиздат, 1985. — 240 с.
• Справочник по пластическим массам / под ред. В. М. Катаева. — М.: Химия, 1975. — Т. 2. — С. 312–318.
• Патент РФ № 2 345 123 «Способ получения диацетата целлюлозы» (2008).