Нитрат целлюлозы — свойства и применение¶

Нитрат целлюлозы (нитроцеллюлоза, целлюлозный нитрат) — сложный эфир азотной кислоты с целлюлозой, продукт нитрования гидроксильных групп полисахарида. Представляет собой горючее вещество белого цвета, применяющееся в производстве лаков, красок, взрывчатых веществ, а также в медицине и кинематографии. По химическому строению представляет собой нитроэфиры целлюлозы с общей формулой [C₆H₇O₂(ONO₂)₃]ₙ, где степень замещения гидроксильных групп нитрогруппами определяет свойства материала.

¶Состав и строение

Целлюлоза — природный полимер, состоящий из остатков глюкозы, связанных β-1,4-гликозидными связями. Каждый мономерный остаток содержит три гидроксильные группы (в положениях C2, C3 и C6), способные вступать в реакцию нитрования. В зависимости от того, сколько из них замещено нитрогруппами, различают:

• мононитрат — одна нитрогруппа на мономер (степень нитрования ~11 %);
• динитрат — две нитрогруппы (~11–12,4 %);
• тринитрат — три нитрогруппы (до 14,14 % азота).

Практическое значение имеет смесь нитратов с различной степенью замещения. Полный нитрат целлюлозы (тринитроцеллюлоза) содержит около 14,1 % азота и обозначается как НЦ.

¶Получение

Нитроцеллюлозу получают обработкой целлюлозы (преимущественно хлопковой ваты или древесной целлюлозы) смесью концентрированных азотной и серной кислот. Серная кислота выступает в роли дегидратирующего агента и катализатора, связывая образующуюся воду и смещая равновесие реакции в сторону нитрата. Процесс ведут при температуре 20–40 °C, контролируя время выдержки и соотношение кислот.

После нитрования массу промывают водой до нейтральной реакции, а остатки кислот нейтрализуют раствором соды. Затем нитроцеллюлозу сушат, причём способ сушки определяет дальнейшее применение: при атмосферной сушке получают волокнистый продукт (пироксилин), а при прессовании в спирте — плотные пласты (коллоксилин).

¶Свойства

Чистая нитроцеллюлоза — белый твёрдый порошок или волокнистая масса, нерастворимая в воде, но растворимая в ацетоне, этилацетате, смеси спирта с эфиром и других органических растворителях. При горении сгорает быстро, не оставляя золы.

Ключевое свойство нитроцеллюлозы — горючесть и взрывчатость. Степень опасности определяется содержанием азота: продукты с содержанием азота выше 12,5 % относятся к взрывчатым веществам, ниже — к горючим. Нитроцеллюлоза чувствительна к удару, трению и искрам, поэтому при хранении её увлажняют (до 20–30 % воды) или смешивают со стабилизаторами.

¶Применение

¶Взрывчатые вещества

Тринитроцеллюлоза входит в состав бездымного пороха, изобретённого в 1880-х годах. Порох на основе НЦ горит медленнее и равномернее, чем чёрный порох, не образует дыма и даёт большую энергию выстрела. В России бездымный порох производится с 1890-х годов. НЦ также используется в производстве пластитов и кордитов.

¶Лаки и краски

Динитрат и смесевые нитраты применяются в лакокрасочной промышленности. Нитроцеллюлозные лаки образуют твёрдые плёнки, устойчивые к истиранию и влаге. Используются для покрытия дерева, металла, в производстве искусственного шёлка (нитроцеллюлозное волокно).

¶Медицина

Нитроцеллюлоза применяется в хирургии как кровоостанавливающее и адсорбирующее средство. Вата, обработанная разбавленной азотной кислотой, используется для остановки капиллярных кровотечений. В офтальмологии нитрат серебра (не путать с нитратом целлюлозы) применяется для прижигания, однако сама нитроцеллюлоза в медицине ограничена.

¶Кинематограф

В первые десятилетия кинематографа нитроцеллюлоза использовалась как основа киноплёнки (до 1950-х годов). Плёнка горела быстро и с выделением токсичных газов, что приводило к пожарам в кинотеатрах. С 1950-х годов её вытеснила ацетатная (безопасная) плёнка.

¶Хранение и безопасность

Нитроцеллюлоза хранится в герметичной таре вдали от источников тепла и искр. При длительном хранении возможна саморазогревающаяся реакция разложения с выделением оксидов азота, поэтому в продукт добавляют стабилизаторы (дифениламин, барбитуровую кислоту). Пожары на складах нитроцеллюлозы представляют серьёзную опасность из-за скорости распространения пламени и токсичности продуктов горения.

¶История

Нитроцеллюлоза открыта в 1832 году немецким химиком Христианом Шёнбейном, который получил её при обработке целлюлозы азотной кислотой. В 1846 году Шёнбейн предложил использовать её как взрывчатое вещество. В 1884 году французский химик Поль Вьенвиль разработал метод получения стабильного бездымного пороха на основе нитроцеллюлозы. В 1890-х годах аналогичные пороха были созданы в России (А. М. Зайцев, Н. И. Пилюгин).

Источники:

• Венкелер, А. В. Химия и технология органических взрывчатых веществ. — М.: Оборонгиз.
• Крысин, Л. А. Химия нитросоединений. — М.: Наука.
• Ремизов, А. М. Химия и технология взрывчатых веществ. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана.
• Быков, В. И. Нитроцеллюлоза: производство и свойства. — М.: Химия.