Пироксилин

Пироксилин — это нитроцеллюлоза с содержанием азота от 12,5 до 13,5 % (в зависимости от способа получения и назначения), представляющая собой взрывчатое вещество, а также исходный материал для производства бездымных порохов и некоторых видов целлулоида. Пироксилин представляет собой волокнистую массу белого или сероватого цвета, внешне напоминающую вату или хлопок, нерастворимую в воде и обладающую высокой чувствительностью к механическим воздействиям (удар, трение) и нагреву.

История открытия и производства

Открытие нитроцеллюлозы

Первые упоминания о нитровании целлюлозы относятся к 1833 году, когда французский химик Анри Браконно обработал льняное волокно азотной кислотой и получил вещество, названное им «ксилоидином». Однако практического применения это открытие не имело из-за нестабильности и непостоянства состава продукта.

В 1846 году немецкий химик Кристиан Фридрих Шёнбейн, работая в Базеле, случайно пролил смесь азотной и серной кислот на хлопковую ткань. После высыхания ткань взорвалась при ударе. Шёнбейн осознал значение этого явления и разработал способ получения нитроцеллюлозы с использованием смеси серной и азотной кислот («нитрационной смеси»). Полученное вещество он назвал «пироксилином» (от греч. pyr — огонь и xylon — дерево). Шёнбейн запатентовал своё изобретение в 1846 году, однако первоначальные попытки промышленного производства столкнулись с проблемами безопасности: первые заводы в Австрии и Англии взорвались.

Развитие технологии

В 1860-х годах шведский инженер и изобретатель Альфред Нобель начал эксперименты с пироксилином, стремясь создать более стабильное взрывчатое вещество. Он обнаружил, что пироксилин, смешанный с нитроглицерином, образует пастообразную массу, которая впоследствии стала основой для динамита. Однако сам пироксилин в чистом виде оставался слишком опасным для транспортировки и хранения.

Ключевой прорыв произошёл в 1884 году, когда французский инженер Поль Вьель разработал технологию пластификации пироксилина с помощью спирто-эфирной смеси. Полученная масса после прессования и сушки давала так называемый «бездымный порох» (патрон Вьеля), который не давал густого дыма при выстреле, что кардинально изменило тактику ведения боя. В России бездымный порох на основе пироксилина был разработан в 1888–1891 годах профессором Д. И. Менделеевым, который предложил использовать для его получения особо чистую нитроцеллюлозу с содержанием азота около 12,5–12,7 %.

Химический состав и свойства

Строение

Пироксилин является продуктом этерификации целлюлозы (C₆H₁₀O₅)n азотной кислотой. В ходе реакции гидроксильные группы (-OH) в молекулах целлюлозы замещаются нитратными группами (-ONO₂). В зависимости от степени замещения (числа нитратных групп на одно глюкозное звено) различают:

• Мононитроцеллюлоза (содержание азота до 10,5 %) — невзрывчата, растворима в щелочах.
• Динитроцеллюлоза (10,5–12,5 % азота) — взрывчата, но обладает низкой скоростью детонации.
• Тринитроцеллюлоза (пироксилин, 12,5–13,5 % азота) — наиболее мощное взрывчатое вещество, используемое в военных целях.
• Тетранитроцеллюлоза (свыше 13,5 %) — теоретически возможна, но на практике нестабильна и не применяется.

Физико-химические характеристики

• Внешний вид: рыхлая волокнистая масса, напоминающая вату.
• Плотность: 1,5–1,6 г/см³.
• Температура вспышки: около 180–200 °C (в зависимости от влажности).
• Скорость детонации: 6000–7000 м/с (в сухом состоянии).
• Растворимость: нерастворим в воде, хорошо растворяется в ацетоне, спирто-эфирной смеси, этилацетате.
• Гигроскопичность: пироксилин активно поглощает влагу из воздуха, что снижает его взрывчатые свойства. Влажный пироксилин (содержание воды 20–30 %) считается безопасным для транспортировки и хранения, так как не детонирует от удара.

Чувствительность

Сухой пироксилин чрезвычайно чувствителен к механическим воздействиям. Он может взорваться от удара, трения, искры или даже от трения волокон друг о друга при пересыпании. Поэтому его хранение и переработка требуют строгих мер безопасности: работа в увлажнённом состоянии, использование инструментов из цветных металлов (не дающих искр), заземление оборудования.

Классификация и виды

Пироксилин классифицируется по нескольким признакам:

По содержанию азота

1. Пироксилин № 1 (высокоазотный) — содержание азота 13,0–13,5 %. Используется для производства бездымных порохов (в основном для артиллерийских зарядов) и как компонент взрывчатых смесей.
2. Пироксилин № 2 (среднеазотный) — 12,0–12,5 %. Применяется для изготовления охотничьих и винтовочных порохов, а также для производства целлулоида.
3. Пироксилин № 3 (низкоазотный) — 10,5–12,0 %. Используется в производстве лаков, эмалей, киноплёнки и некоторых видов пластиков.

По назначению

• Пороховой пироксилин — предназначен для изготовления бездымных порохов. Отличается высокой чистотой и однородностью.
• Взрывчатый пироксилин — используется как самостоятельное взрывчатое вещество (например, в снаряжении боеприпасов) или как компонент аммонитов.
• Технический пироксилин — применяется в производстве нитроцеллюлозных лаков, клеёв, целлулоида.

Применение

Военное дело

Основное применение пироксилина — производство бездымных порохов. В современной артиллерии и стрелковом оружии используются пироксилиновые пороха (обычно в смеси с нитроглицерином или другими пластификаторами). Пироксилин также входит в состав некоторых детонирующих шнуров и взрывчатых зарядов для инженерных войск.

В России и СССР пироксилин активно применялся для снаряжения артиллерийских снарядов и авиабомб в первой половине XX века. В настоящее время в чистом виде используется редко, уступая место более мощным и стабильным взрывчатым веществам (тротил, гексоген, октоген), но остаётся важным компонентом пороховых смесей.

Промышленность

• Производство целлулоида: пироксилин, смешанный с камфорой и пластификаторами, даёт термопластичный материал, из которого изготавливают бильярдные шары, расчёски, игрушки (до середины XX века).
• Лакокрасочная промышленность: нитроцеллюлозные лаки (нитролаки) на основе пироксилина применяются для покрытия мебели, автомобилей, музыкальных инструментов.
• Киноплёнка: до внедрения ацетатных плёнок пироксилин использовался для изготовления горючей киноплёнки (нитроцеллюлозная основа), которая была пожароопасна.

Медицина

В XIX — начале XX века пироксилин использовался в качестве кровоостанавливающего средства (так называемая «пироксилиновая вата»), однако из-за высокой токсичности и риска взрыва при стерилизации от этого применения отказались.

Безопасность и хранение

Пироксилин относится к веществам I класса опасности (чрезвычайно опасные). Основные риски:

• Взрывоопасность: сухой пироксилин детонирует от удара, трения, искры. Хранить его разрешается только в увлажнённом состоянии (содержание воды не менее 20 %).
• Токсичность: при горении выделяет ядовитые оксиды азота (NOₓ), которые могут вызвать отёк лёгких.
• Пожароопасность: пироксилин легко воспламеняется, горит без доступа воздуха (за счёт собственного кислорода).

Хранение осуществляется в специальных складах (пороховых погребах) с контролируемой влажностью и температурой. Транспортировка — только в герметичных металлических контейнерах, залитых водой или спиртом.

Интересные факты

• В 1860-х годах пироксилин пытались использовать в качестве топлива для паровых машин, но из-за неконтролируемого взрыва двигателей от этой идеи отказались.
• В 1890-х годах в России пироксилин применялся для подрыва льда на реках — его закладывали в лунки и подрывали, чтобы предотвратить ледоход.
• В 1920-х годах на основе пироксилина был создан первый советский бездымный порох «БП» (баллиститный порох), который использовался в винтовках Мосина.
• Пироксилин является одним из немногих взрывчатых веществ, которые можно безопасно тушить водой — при условии, что вода полностью покрывает вещество и не даёт ему высохнуть.

Источники

• Краткая химическая энциклопедия. Том 3. — М.: Советская энциклопедия, 1964.
• Орлова Е. Ю. Химия и технология взрывчатых веществ. — Л.: Химия, 1973.
• Менделеев Д. И. Основы химии. Том 2. — СПб.: Типография В. Демакова, 1906.
• Взрывчатые вещества и пороха: учебное пособие / под ред. А. Г. Горст. — М.: Воениздат, 1957.
• ГОСТ 595-79 «Пироксилин. Технические условия». — М.: Издательство стандартов, 1979.