Триацетат целлюлозы

Триацетат целлюлозы (ТАЦ, триацетилцеллюлоза) — это сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты, в котором гидроксильные группы целлюлозы практически полностью замещены ацетатными группами (степень замещения составляет от 2,8 до 3,0). Относится к классу ацетатов целлюлозы. Представляет собой твёрдый термопластичный полимер, из которого изготавливают плёнки, волокна, пластмассы и мембраны. Основные свойства — высокая прозрачность, жёсткость, термостойкость, низкая гигроскопичность и устойчивость к действию многих химических веществ.

История

Впервые ацетилирование целлюлозы было осуществлено французским химиком Анри Браконно в 1833 году, однако практическое получение триацетата целлюлозы стало возможным лишь после разработки методов растворения целлюлозы в смеси уксусного ангидрида и уксусной кислоты в присутствии катализатора (серной кислоты). В 1865 году французский химик Поль Шютценбергер получил ацетат целлюлозы, близкий по составу к триацетату, но промышленное производство началось только в начале XX века.

В 1904 году немецкие химики Артур Эйхенгрюн и Теодор Беккер запатентовали способ получения ацетатного волокна. Первоначально триацетат целлюлозы использовался для изготовления негорючих плёнок (киноплёнка «безопасная»), а также в качестве лакового покрытия для авиационных крыльев. В 1920-х годах компания Celanese (США) начала массовое производство ацетатного волокна, которое впоследствии стало известно как «триацетат» (отличается от диацетата целлюлозы более высокой степенью ацетилирования). В 1950-х годах триацетат целлюлозы начал активно применяться в производстве фотоплёнок и магнитных лент. В СССР производство триацетата целлюлозы было освоено в 1960-х годах на предприятиях химической промышленности (например, на Владимирском химическом заводе).

Получение

Триацетат целлюлозы получают путём этерификации целлюлозы (обычно хлопковой или древесной) уксусным ангидридом в присутствии катализатора — серной или хлорной кислоты. Реакция протекает в среде уксусной кислоты при температуре 20–30 °C. Степень замещения контролируется продолжительностью процесса и соотношением реагентов. После завершения реакции продукт осаждают водой, промывают и сушат. Для получения триацетата с заданными свойствами (например, для плёнок) проводят дополнительную очистку и стабилизацию.

Физико-химические свойства

Триацетат целлюлозы — белое или слегка желтоватое твёрдое вещество без запаха. Плотность составляет 1,28–1,32 г/см³. Температура плавления — 280–300 °C (с разложением). Температура стеклования — около 180–190 °C. Полимер растворим в смеси метиленхлорида и метанола, в хлороформе, диоксане, уксусной кислоте, но нерастворим в воде, спиртах, эфирах и алифатических углеводородах. Триацетат целлюлозы обладает высокой стойкостью к действию разбавленных кислот и щелочей, а также к маслам и жирам. При длительном воздействии концентрированных кислот или щелочей происходит гидролиз с отщеплением ацетатных групп. Материал горюч, но горит медленно, с образованием копоти и характерного запаха уксусной кислоты.

Виды и классификация

Триацетат целлюлозы классифицируют по нескольким признакам:

• По степени полимеризации: низкомолекулярный (для лаков и покрытий), средне- и высокомолекулярный (для плёнок и волокон).
• По назначению: плёночный (для киноплёнки, фотоплёнки, магнитных лент), волоконный (для текстиля), литьевой (для пластмассовых изделий), мембранный (для фильтров).
• По способу переработки: литьевой, экструзионный, прессовый.

Применение

Плёнки и мембраны

Триацетат целлюлозы является одним из основных материалов для производства киноплёнки, фотоплёнки и рентгеновской плёнки благодаря высокой прозрачности, низкой усадке и стабильности размеров. Также из него изготавливают поляризационные плёнки для жидкокристаллических дисплеев (LCD) и мембраны для обратного осмоса и микрофильтрации. В медицине триацетатные мембраны используются для диализа (гемодиализные фильтры).

Волокна и ткани

Волокна из триацетата целлюлозы (триацетатное волокно) обладают высокой прочностью, эластичностью, устойчивостью к сминанию и действию света. Они используются в производстве тканей для верхней одежды, подкладки, галстуков, а также в технических целях (шнуры, канаты). В текстильной промышленности триацетат часто смешивают с полиэстером или вискозой для улучшения свойств.

Пластмассы и литьевые изделия

Триацетат целлюлозы применяется для изготовления корпусов приборов, ручек инструментов, игрушек, оправ для очков, а также деталей автомобилей (например, рулевых колёс). Благодаря высокой твёрдости и глянцу материал используется в производстве бижутерии и декоративных элементов.

Лаки и покрытия

Растворы триацетата целлюлозы в органических растворителях используются для создания защитных и декоративных покрытий по дереву, металлу и пластику. Такие лаки обладают высокой стойкостью к царапинам и атмосферным воздействиям.

Прочие области

• Фотография: основа для фотографических эмульсий.
• Электроника: диэлектрические плёнки для конденсаторов.
• Медицина: основы для пластырей и перевязочных материалов.
• Фильтрация: мембраны для очистки воды и газов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая прозрачность и глянец.
• Хорошая термостойкость (до 200 °C).
• Низкая гигроскопичность (менее 1%).
• Устойчивость к плесени и микроорганизмам.
• Возможность переработки литьём под давлением и экструзией.
• Биоразлагаемость в условиях компостирования (медленнее, чем у диацетата).

Недостатки

• Ограниченная растворимость (требуются специальные растворители).
• Хрупкость при низких температурах.
• Склонность к старению и пожелтению под действием ультрафиолета.
• Высокая стоимость по сравнению с полиэтиленом и полипропиленом.
• Трудность утилизации (при сжигании выделяет токсичные вещества).

Экологические аспекты

Триацетат целлюлозы, как и другие ацетаты целлюлозы, считается биоразлагаемым материалом, однако процесс разложения в естественных условиях может занимать десятилетия. В промышленных компостных установках (при температуре 50–60 °C и влажности) разложение ускоряется до нескольких месяцев. При сжигании триацетата образуются углекислый газ, вода и оксиды азота, а также уксусная кислота. Вторичная переработка триацетата возможна, но ограничена из-за сложности отделения от других материалов.

Источники

• Энциклопедия полимеров. Том 3. — М.: Советская энциклопедия, 1977.
• Химическая энциклопедия. Том 5. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.
• ГОСТ 21000-81 «Триацетат целлюлозы. Технические условия».
• Патент DE 154,509 (1904) — способ получения ацетатного волокна.
• Руководство по переработке пластмасс. Под ред. В. В. Коршака. — М.: Химия, 1985.
• Справочник по полимерным материалам. Под ред. Ю. А. Михайлина. — СПб.: Профессия, 2006.