Целлюлозы ацетаты

Триацетат целлюлозы: формула, применение, свойства

Триацетат целлюлозы по формуле представляет собой сложное органическое соединение. Ранее оно использовалось для изготовления кино- и фотопленки, а в настоящее время основной областью применения является изготовление тканей и пленок для рентгенологических исследований.

Описание

Триацетат целлюлозы – это эфир целлюлозы и уксусной кислоты. Представляет собой аморфное вещество белого цвета в виде хлопьев или порошка.

Химическая формула триацетата целлюлозы: [С6Н7О2 (ОСОСН3)3]n, где: n – степень полимеризации. Это значение находится в пределах 150-700. Средняя степень полимеризации – 260-300. Молекулярная масса соединения составляет 25-115 тысяч г/моль.

Структурная формула триацетата целлюлозы представлена на рисунке ниже.

Это соединение является термопластом, то есть способно при нагревании переходить в высокоэластичное состояние, однако его термическая стойкость не высока. При температуре размягчения начинает изменяться окраска материала.

Физико-химические свойства

Триацетат целлюлозы, формула которого содержит 3 ацетильных группы COCH3, обладает следующими основными характеристиками:

• хорошо растворим в таких веществах, как: ледяная уксусная кислота, хлороформ, анилин, пиридин, фенол, муравьиная кислота, формамид, жидкий сернистый ангидрид, метиленхлорид (наиболее распространенный растворитель в настоящее время);
• легко кристаллизуется при нагреве до температуры 210-225°С;
• не растворим в воде, сложных эфирах, ацетоне и этилацетате;
• низкая гигроскопичность;
• плотность 1280–1330 кг/м3;
• в растворах кислот и щелочей происходит омыление вещества, то есть оно неустойчиво;
• хорошая светоустойчивость;
• высокие волокно- и пленкообразующие свойства;
• температура размягчения – 190-210 °C, разложения (деструктурирования) – 230 °C;
• температура воспламенения – 295 °С, самовоспламенения – 380-430 °С.

Термостабильность вещества повышают путем добавления стабилизаторов (антиоксидантов, в состав которых входят аминогруппы, и других веществ).

Синтез

Впервые ацетатные эфиры целлюлозы были получены в 1865 г. немецким ученым Шютценбергом. В настоящее время триацетат (или первичный ацетат целлюлозы) синтезируют путем полного ацетилирования хлопковой или древесной целлюлозы с применением уксусного ангидрида.

Этот процесс необратим и происходит в присутствии катализаторов – серной или хлорной кислоты. Согласно данных ИК-спектра, использование катализаторов состава H2SO4+Mg(ClO4)2 позволяет получить соединения с более высокими качественными и технологическими показателями.

Особенностями производства триацетата целлюлозы, отличающими его от изготовления других эфиров целлюлозы, являются:

• невозможность контроля образования сложных эфиров;
• необходимость использования катализатора;
• регулирование ацетильных групп в последующем процессе омыления.

Разновидности

Это вещество может быть получено в нескольких структурных модификациях:

1. При ацетилировании, то есть замещении атомов водорода остатками уксусной кислоты CH3CO (или ацетильной группой). В данном случае происходит образование триацетат целлюлозы I. Процесс производится в смеси уксусного ангидрида и бензола, при температуре 55°С.

2. Вторую модификацию синтезируют при переосаждении из смеси хлороформа и эфира. Это соединение является более устойчивым по сравнению с предыдущим типом.

Оба состояния вещества находятся в равновесии, которое зависит от температуры и рода растворителя. Переход из I во II модификацию является обратимым. Его можно произвести при помощи обработки различными химическими реагентами.

При низких температурах — вне зависимости от исходного сырья — преимущественно синтезируется ацетат целлюлозы I, а вторая модификация образуется при высоких температурах этерификации гидратцеллюлозы.

Второй тип структуры также можно получить омылением первой модификации раствором едкого натра в метиловом спирте.

Изготовление тканей

Еще в 1901 г. был выдан первый патент на выработку искусственного волокна из данного соединения и началось его промышленное освоение.

Формула триацетата целлюлозы, как и других ацетатов этого вещества, характеризуется большой разницей по молекулярной массе.

В связи с этим исходный целлюлозный материал отличается неоднородностью, а это сказывается на прядильных свойствах волокон. Низкомолекулярные фракции также значительно ухудшают их качество.

Волокно формируется при испарении жидкости в растворах триацетата целлюлозы в смеси ацетона с водой или в растворителях (метиленхлорид, этанол, метанол).

Нити используются как дешевое сырье для производства искусственного шелка, трикотажных изделий и в технических целях.

Применение триацетата целлюлозы в качестве основы для тканей позволяет получить их высокие потребительские характеристики:

• достаточная свето- и теплостойкость;
• хороший внешний вид (напоминает натуральный шелк);
• устойчивость ко многим химическим веществам и микроорганизмам;
• сохранение формы;
• гипоаллергенность.

К недостаткам относятся низкая гигроскопичность, уменьшение прочности волокон при их намокании, небольшая стойкость к механическому истиранию, накапливание статического электричества.

Триацетат целлюлозы: применение в других областях

С 1952 г. данное вещество было основным компонентом при изготовлении кино- и фотопленок, магнитных лент. В настоящее время оно используется также в производстве пленок для рентгеновских снимков. Для этого материала характерна стабильность в размерах, небольшое поглощение влаги, газопроницаемость. В некоторых компаниях вещество входит в состав покрытий для солнцезащитных очков.

В промышленности также находит широкое применение продукт омыления триацетата целлюлозы. Его используют при изготовлении пластмасс (этролы) и искусственного волокна. Отличительной особенностью данного вещества является возможность внесения более разнообразных видов пластификаторов по сравнению с триацетатом целлюлозы.

В лакокрасочной промышленности это соединение добавляют в состав лаков для лучшего пленкообразования. Согласно рентгенограммам и изучению ИК-спектра вещества, применение очищенных сиропов триацетата целлюлозы позволяет повысить физико-механические свойства пленок на 20%.

Ацетилцеллюлоза — WikiModern

Ацетилцеллюлоза (ацетат целлюлозы) — Сложные эфирыцеллюлозы и уксусной кислоты.

Ацетилцеллюлоза — белая аморфная масса; плотность около 1300 кг/м³. При нагреве до 190—210 °C изменяется окраска вещества. При 230 °C начинает разлагаться.

Химические свойства

Щёлочи и минеральные кислоты постепенно омыляют ацетилцеллюлозу.

Получение

Ацетат целлюлозы получают путём этерификациицеллюлозыуксусной кислотой:

или действием уксусного ангидрида на целлюлозу.

Сырьем для получения ацетилцеллюлозы служит хлопок или древесная целлюлоза. Ацетилцеллюлоза обладает высокой светостойкостью и негорючестью. Используется для производства основы фото- и кинопленки, ацетатного волокна, пластических масс, лаков и др.

Вторичный ацетат получают как результат частичного гидролиза триацетата. Содержит до 55 % связанной уксусной кислоты. Растворяется также в ацетоне, смеси ацетона и спирта, этилацетате, диоксане и в других органических растворителях.

История получения и применения

Ацетилцеллюлоза впервые была получена в лаборатории английским химиком Чарльзом Фредериком Кроссом в 1894 году. Он заметил, что ацетилцеллюлоза обладает схожими свойствами с нитроцеллюлозой, но при этом не горюча.

Однако сразу найти применение для нового материала не удалось из-за высокой стоимости получения. В 1909 Артур Эйхенгрюн получил целлон, по свойствам похожий с целлулоидом. Целлон имел преимущество вследствие пожарной безопасности и нашёл применение для изготовления киноплёнок.

Также ацетилцеллюлоза применялась для изготовления лаков, используемых для покрытия металлических поверхностей аэропланов и в качестве изолирующего материала. Также применялась для изготовления непромокаемых тканей, искусственной кожи и пр.

Применение

Триацетат целлюлозы, или Триацетилцеллюлоза с 1952 года является основным веществом при изготовлении подложки фото- и киноплёнок. Некоторое время этот же материал применялся в качестве основы магнитных лент.

В современных киноплёнках триацетат целлюлозы вытесняется безусадочной полиэстеровой подложкой. Обычно называется первичным ацетатом и содержит 62,5 % связанной уксусной кислоты.

Растворим в уксусной кислоте, метиленхлориде, хлороформе, дихлорэтане, анилине, пиридине.

Пластмассы на основе ацетилцеллюлозы (этролы) используют для изготовления прочных пластмасс.

Применяют этролы в производстве труб для перекачки природного газа, деталей автомобилей, самолетов, судов (штурвалы, приборные щитки, ручки, подлокотники), телефонных аппаратов, радио- и телевизионных приемников, медицинских инструментов, оправ для очков, игрушек, мячей для настольного тенниса, галантерейных и канцелярских товаров, медиаторов для струнных щипковых музыкальных инструментов и др.; прозрачные листы из этролов — защитные и смотровые экраны, например при работе с радиоактивными и легковзрывающимися соединениями. Изделия из этролов пригодны для работы в экстремальных условиях Арктики и тропиков.

До последнего времени сравнительно ограниченным было применение ацетилцеллюлозы для изготовления искусственного шелка, но именно здесь можно ожидать значительного развития её применении в ближайшем будущем, благодаря сильному удешевлению ацетилцеллюлозы, а также устранению затруднений в крашении такого искусственного шелка открытием специальных, пригодных для этой цели красок. При изготовлении ацетилцеллюлозы из древесной массы можно даже думать о конкуренции искусственных шелковых тканей с хлопчатобумажными.

В 2005 году появилось изобретение на основе ацетилцеллюлозы, которое относится к области бронирования зарядов твердых ракетных топлив, а именно к разработке термополастичных малодымных бронесоставов. Термопластичный малодымный бронесостав на основе ацетилцеллюлозы содержит ацетилцеллюлозу, ацетилтриэтилцитрат, β-(2,4-динитрофенокси)этанол и наполнитель.

В качестве наполнителя применен карбонат кальция, а компоненты бронесостава взяты в следующем соотношении (мас.%): ацетилтриэтилцитрат 25-36, β-(2,4-динитрофенокси)этанол 2,0, углекислый кальций 30-50, ацетилцеллюлоза остальное. Изобретение позволяет повысить термостойкость бронесостава одновременно с сохранением низкого уровня дымообразующей способности.

Ацетилцеллюлоза является эффективным связующим веществом, используемым в производстве таблеток. Однако нерастворимрость в воде ограничивает её применение. В этом отношении большие возможности представляет применение вторичной ацетилцеллюлозы.

Вторичная ацетилцеллюлоза имеет возможность использования в качестве полимера-носителя для лекарственных веществ с целью пролонгирования их действия. Вторичная ацетилцеллюлоза получается как продукт частичного омыления триацетатцеллюлозы.

Растворы вторичной ацетилцеллюлозы физиологически индифферентны, имеют нейтральную реакцию, без запаха и вкуса, устойчивы в течение 20-30 дней. Вторичная ацетилцеллюлоза позволяет формировать из неё водорастворимые волокна, имеющие малую прочность.

Меняя степень ацетилирования вторичной ацетилцеллюлозы, можно достичь желаемую по времени растворимость шовного или тампонажного материала.

На основе волокон из вторичной ацетилцеллюлозы признано целесообразным изготавливать бактерицидные тампонажные материалы путём формования их из смеси с лекарственными веществами или путём непосредственного химического присоединения этих веществ.

На таблетки, с целью их защиты от атмосферных воздействий, в основном от влаги, наносят покрытия (пленки) растворяющиеся под воздействием кислот и ферментов желудочного сока. Такие пленки (толщиной 0,06-0,1 мм) достаточно надежно противостоят воздействию влаги, обеспечивая в то же время их распадаемость в желудке в течение 10-20 мин. К таким пленкообразователям относится ацетилцеллюлоза и некоторые другие вещества на основе целлюлозы (диэтил- и бензиаминометилцеллюлоза, алкилпроизводные аминоацетилцеллюлозы и др). Таблетки покрывают растворами указанных веществ в органических растворителях — этиловом или изопропиловом спирте или ацетоне.

Сегодня ацетат целлюлозы — один из несомненных лидеров среди материалов, используемых для производства как оправ, так и солнцезащитных очков. Оправы из ацетата целлюлозы занимают, по разным оценкам, около 70 % рынка пластмассовых оправ. В основном на рынке преобладают фрезерованные оправы, так как они позволяют использовать большее разнообразие форм и расцветок.

Значительной популярностью пользуются ламинированные «многослойные» модели, в которых применяются разноцветные слои ацетата целлюлозы, чьи пластические свойства позволяют легко делать такие «бутерброды», не опасаясь разделения слоев.

Многие коллекции оправ из ацетата целлюлозы, производимые такими компаниями, как Alain Mikli, Face a Face, Morel, Lafont, Prodesign Denmark, Lunettes Beausoleil, Brenda, относятся к оправам высокой ценовой категории. Для их изготовления требуется до 50 операций, многие из которых невозможно осуществить без применения ручного труда.

Пленки из ацетата целлюлозы отличаются высокой чистотой. Гемицеллюлозы и лигнины в них отсутствуют, а тяжелые металлы встречаются лишь в ничтожно малых количествах. Пленки из ацетатцеллюлозы имеют значительно более низкую адсорбционную ёмкость для белков, чем бумага, поэтому в них не образуются «хвосты», наблюдающиеся при электрофорезе на фильтровальной бумаге.

Фон после окрашивания получается бесцветным и на нём четко выступают разделившиеся полосы. Эти преимущества позволяют использовать электрофорез на пленках из ацетатцеллюлозы для (исследования чрезвычайно малых количеств веществ, причем на проведение опыта приходится затрачивать меньше времени.

К тому же ацетат целлюлозы является средой, пригодной для иммунодиффузии, и поэтому пленки из него можно применять для иммуноэлектрофореза. Первоначально пленки из ацетатцеллюлозы были предназначены для фильтрования, а в качестве поддерживающей среды для электрофореза их впервые в 1957 т. рекомендовал использовать Кон. С тех пор они нашли широкое применение.

Пленки из ацетата целлюлозы несколько дороже фильтровальной бумаги, что во многих случаях препятствует их применению при электрофорезе вместо бумаги. Данный метод целесообразно использовать для разделения малых количеств веществ, особенно если принять во внимание, что он обладает также более высокой разрешающей способностью и требуетменьших затрат времени.

В 60-е годы промышленность производила несколько типов приборов для микроэлектрофореза на ацетате целлюлозы. Тогда же была предложена модифицированная поддерживающая среда — желатин-эированный ацетат целлюлозы, получивший название целлогеля (Ce’llogel). В отличие от обычных пленок из ацетатцеллюлозы, целлогель поставляется во влажном состоянии и должен храниться до употребления в 30%-ном метаноле.

Обычно при ацетилировании целлюлозы получают продукт с полным замещением всех трех гидроксилов на ацетатные группы, то есть триацетат целлюлозы.

Триацетат целлюлозы растворим только в дорогих или токсичных растворителях типа хлороформа или тетрахлорэтана, что сдерживало его распространение какое-то время. Затем было показано, что мягкий кислотный гидролиз позволяет получить ацетатцеллюлозы (диацетат целлюлозы), растворимый в ацетоне.

Свойства диацетата целлюлозы варьируют в зависимости от степени ацетилирования, количества и типа используемого пластификатора, но в общем это твердый прочный материал с хорошими электрическими свойствами в сухом состоянии, сочетающий хорошие изоляционные свойства с дугостойкостью и коррозионной устойчивостью. Диацетат зарекомендовал себя в производстве диацетатных пленок.

Диацетатные пленки очень чувствительны к влагопоглощению, поэтому не отличаются размерной стабильностью при изменении влажности. Они обладают высокой прозрачностью и хорошим блеском, прочностью при разрыве в сухом виде.

Хорошо воспринимают печать; их используют в виде наружного слоя многослойных ламинатов в качестве износостойкого покрытия.

Обязательное присутствие пластификаторов требует осторожности при выборе марки для упаковки продуктов питания.

Пленки размягчаются при нагревании, но не могут быть сварены между собой, поэтому соединение пленок производят склеиванием. Их можно также покрывать термосвариваемым составом. Проницаемость пленок, как к газам, так и к водяному пару высокая.

Разбавленные кислоты и щелочи слабо влияют на пленки, в то время как сильные кислоты и щелочи вызывают разложение. Диацетат растворим в ацетоне и смеси ацетона с водой в соотношении 80:20, нерастворим в метиленхлориде, в то время как триацетат ведет себя прямо противоположным образом.

Тонкие пленки легко резать, формовать, складывать.

Диацетатные пленки применяют во многих областях, в частности для упаковки.

Их применяют также для остекления теплиц, парников, курятников, так как они прозрачны для УФ-излучения (пропускание УФ-лучей через пленку 250 мкм-85 %, видимого света-93 %).

Иногда пленки армируют, размещая между двумя слоями пленки хлопчатобумажную или проволочную сетку с последующим соединением их горячим прессованием или пропуская арматуру через раствор ацетата целлюлозы, используемый для полива.

Триацетатные пленки применяют главным образом как кино- или рентгеновские пленки. Некоторые компании используют триацетат целлюлозы для изготовления высокопрочных небьющихся линз для солнцезащитных очков.

Основа этой страницы находится в Википедии. Текст доступен по лицензии CC BY-SA 4.0 license. Нетекстовые медиаданные доступны под собственными лицензиями. Wikipedia® — зарегистрированный товарный знак организации Wikimedia Foundation, Inc. Infosphere.top не аффилирована с Фондом Викимедиа (Wikimedia Foundation).