Нитрат целлюлозы спиртовой. Нитраты целлюлозы, их получение, свойства и применение

Нитраты целлюлозы, или азотнокислые эфиры целлюлозы, часто называют нитроцеллюлозой. Это название неправильно, так как эти продукты являются сложными эфирами целлюлозы и азотной кислоты, а не нитросоединениями. Поэтому термин «нитроцеллюлоза» следует рассматривать как чисто технический, хотя им пользуются широко в литературе.

Реакцию нитрования целлюлозы с азотной кислотой можно представить следующим образом:

Эта реакция обратима. Устанавливается равновесие между целлюлозой (как спиртом), азотной кислотой, сложным эфиром и водой. Содержание воды в реакционной смеси является основным условием, определяющим состояние конечного равновесия.

Нитрование обычно проводят в присутствии водоотнимающих средств, в качестве которых в промышленности применяют серную кислоту, а в лабораторной практике также уксусный или фосфорный ангидрид (в смеси с уксусной или фосфорной кислотой). Нитрование целлюлозы тройными смесями - - Oявляется основой промышленного способа производства нитратов целлюлозы.

Теоритически содержание азота в тринитрате целлюлозы составляет 14,14%. В динитрате целлюлозы содержится 11,1%N, в мононитрате 6,8% N. Практически при нитровании смесями - - Oполучить нитрат не удается. Наивысшая достигаемая степень нитрования оставляет примерно 13,8% азота.

Степень замещения нитрата целлюлозы при нитровании такой тройной смесью зависит главным образом от содержания воды в смеси. Чем выше процент воды в смеси, тем ниже окажется процент азота в конечном продукте, причем, как показали многочисленные исследования, степень замещения полученного нитрата целлюлозы, в следовательно, и его свойства зависят не от начального состава смеси, а от состава смеси в конце нитрования. Конечный состав смеси зависит в свою очередь от выделения воды при реакции, а также от влажности целлюлозы, степени поглощения влаги из воздуха и т.д.

Для уменьшения влияния фактора разбавления смеси процесс ведется при большом избытке нитрующей смеси. Соотношение между массой целлюлозы и массой нитрующей смеси называют модулем ванны Обычно применяют модуль около 1: 50.

Влияние состава нитрующих смесей на содержание азота в нитрате целлюлозы изучалось с помощью диаграмм тройных смесей. Эти диаграммы показывают, что нитроцеллюлозы с одним и тем же процентом N (и с одной и той же вязкостью), могут быть получены при различном соотношении и, но при одном и том де содержании воды в смеси. Однако, как показывают диаграммы, для технического нитрования пригодными могут быть не любые смеси. В некоторых смесях может наблюдаться растворение и деструкция целлюлозы или слишком сильное набухание.

Серная кислота, входящая в состав нитрующей смеси, связывая выделяющуюся воду при реакции, сдвигает ее равновесие в право. Иначе говоря, регулирует количество свободной воды в смеси. Так как теплота гидратации серной кислоты более высокая, чем азотной (для моногидрата примерно в 5 раз), в смеси должны присутствовать гидраты серной кислоты, а не азотной. По-видимому, это способствует переходу азотной кислоты в безводную псевдоформу - OH, которая и участвует в реакции этерификации целлюлозы. Вода, наоборот, способствует переходу в гидратированную ионную форму:

Механизм нитрования можно представить следующим образом. Сначала происходит протонирование азотной кислоты с образованием иона нитрония:

H нитроний

Затем осуществляется электофильная атака ионом нитрония кислорода OH-группы целлюлозы с отщеплением протона и образованием нитрата

Если в нитрующей смеси содержится мало воды и и много, в этой зоне идет деструкция целлюлозы, а не нитрование. При более высоком содержании воды (более 12%) ионы нитрония отсутствуют, вода распределяется между и и с увеличением воды, т. е. с увеличением степени гидратации степень замещения падает.

Скорость реакций нитрования зависит от соотношения в смеси между азотной и серной кислотами. Увеличение содержания с параллельным уменьшением содержания сверх определенного предела понижает скорость реакции и приводит к деструкции целлюлозы. При слишком высоком содержании целлюлоза растворяется в нитрующей смеси и далее гидролизуется. Однако необходимо поддерживать в смеси такое количество серной кислоты, при котором достигается хорошее набухание целлюлозы, облегчающее доступ внутрь волокна тем самым повышающее скорость процесса. Реакция становится пермутоидной. Поэтому подбирают оптимальное соотношение азотной и серной кислот, учитывая при этом также меньшую стоимость. Обычно в практике используют отношение к около 1: 3.

При получении нитратов целлюлозы происходят побочные реакции: окислительная и гидролитическая деструкция, а также образуются частично замещенные сернокислые эфиры (сульфаты) целлюлозы:

(OH) + > (OH) + O.

Образование смешанных сернокислых и азотнокислых эфиров объясняет невозможность практически достичь теоретического содержания азота, соответствующего тринитрату целлюлозы. Присутствие сернокислых эфиров (очень нестойких) уменьшает устойчивость (стабильность) нитратов целлюлозы. Нитраты целлюлозы уже при умеренных температурах самопроизвольно разлагаются. Скорость разложения быстро растет с повышением температуры и резко возрастает в присутствии примесей кислот, щелочей и др. Разложение нитратов целлюлозы - самоускоряющийся процесс, который, особенно в присутствии влаги и кислорода, может закончиться вспышкой и взрывом. Это вызывает необходимость стабилизации полученного нитрата целлюлозы, который для этого ромывают горячей водой, разбавленный кислотами, 0,2-1%-ным раствором соды и т. д. Сернокислые эфиры при этом гидролизуются (омыляются)

Повышение температуры увеличивает скорость процесса нитрования, не влияя на состояние равновесия. Однако при этом возрастают и скорости побочных процессов - окислительной и гидролитической деструкции. Та, при температуре 15-20° С распад азотной кислоты происходит в очень слабой степени и реакции окисления почти не идут. При температуре выше 40°С происходят бурный распад азотной кислоты с выделением окислов азота и сильная окислительная деструкция целлюлозы. Увеличение температуры способствует и гидролитической деструкции целлюлозы, особенно при одновременном повышении содержания воды в кислотной смеси. Вода повышает степень ионизации и, следовательно, гидролизующее действие кислот, особенно.

Влияние продолжительности реакции на процесс подобно влиянию температуры. Так как реакция нитрования идет быстро, процесс осуществляют в течение 30 мин - 1 ч. Дальнейшее увеличение продолжительности способствует гидролитической деструкции целлюлозы.

Вследствие отрицательного влияния на процесс нитрования (образование сульфатов, гидролитическая деструкция) в некоторых случаях ее заменяют другими водоотнимающими агентами. В лабораторной практике обычно применяют смесь азотной, фосфорной кислот и фосфорного ангидрида или азотной, уксусной кислот и уксусного ангидрида. В этих случаях нитрование протекает почти в безводной среде, оно идет более полно (получаются тринитраты почти с теоретическим содержанием азота) и практически отсутствует деструкция целлюлозы. Нитраты, полученные таким способом, используются для определения СП целлюлозы и ее фракционирования.

При нитровании с применением иногда используют разбавители - инертные органические растворители, например хлорированные углеводороды. Можно также проводить нитрование азотной кислотой в присутствии ее солей. Иногда вместо азотной кислоты применяют другие нитрующие агенты, например ангидрид азотной кислоты.

Технические процесс получения нитратов целлюлозы состоит из следующих операций: измельчения и сушки целлюлозы; нитрования смесью кислот (состав смеси подбирается в зависимости от назначения конечного продукта); удаления отработанной смеси центрифугированием; стабилизации; регулирования вязкости конечного продукта (снижением СП способом гидролиза); вытеснения воды этиловым спиртом.

Нитраты целлюлозы хранят в увлажненном спиртом состоянии.

Древесная целлюлоза содержит примеси (лигнин и гемицеллюлозы), которые отрицательно влияют на качество продукта. Нитрат целлюлозы получается неоднородным и нестойким. Азотнокислые эфиры из хлопковой целлюлозы получаются более стойкими и имеют большую вязкость, чем эфиры из древесной сульфитной целлюлозы.

Сульфитную целлюлозу, предназначенную для переработки на нитраты целлюлозы, следует белить осторожно, чтобы не снизить значительно вязкость. После отбелки обязательно необходимо облагораживание. Облагороженная целлюлозы содержит не менее 65% альфа-целлюлозы.

При производстве нитратов целлюлозы выполняют ряд анализов. Определяют процентное содержание азота (способом Лунге). По процентному содержанию [N] рассчитывают степень замещения СЗ.

Анализ основан на омылении нитрата целлюлозы серной кислотой в присутствии ртути, восстанавливающей образующуюся азотную кислоту до окиси азота, объем которой измеряют.

6Hg > 2NO + + O.

Определяют скорость нитрата целлюлозы при различной температуре, вязкость и СП, температуру вспышки и растворимость в различных растворителях.

Свойства нитратов целлюлозы и их применение

Различаются следующие основные виды технических нитратов целлюлозы, которые в зависимости от СЗ и СП находят различное практическое применение: коллоксилин (10,7-12,5% N), пироколлодий (12±0,1% N), пироксилин №2 (12,2-12,5% N), пироксилин №1 (13,0-13,5% N).

Нитраты целлюлозы, содержащие 9-11% N, растворяются в этиловом спирте, нитраты с содержанием до 13% - в смеси этилового спирта и эфира. Все нитраты целлюлозы растворяются в ацетоне. Нитраты целлюлозы любой степени замещения не растворяются в воду и неполярных растворителях (например бензоле).

Коллоксилин применяют для производства этрола, целлулоида и лаков. Коллоксилин целлулоидных марок имеет СП 400-600, а лаковых марок - 150- 300. Коллоксилин не устойчив к действию кислот и щелочей. Разбавленные минеральные кислоты вызывают медленную денитрацию коллоксилина. Концентрированная серная кислота растворяет коллоксилин. Коллоксилин растворяется в кетонах (ацетон), сложных эфирах (этилацетат, бутилацетати др.), фурфуроле, диоксане и уксусной кислоте; устойчив к действию ароматических и алифатических углеводородов и масел. Из высококипящих растворителей, применяемых в качестве пластификаторов, коллоксилин растворяется в камфаре, эфирах фталевой кислоты и др. Этрольные и целлулоидный коллоксилины с содержанием азота 10,9-11,2% растворяются в спиртово-камфарных смесях. Коллоксилин с содержанием азота 11,2-12,5%, предназначенный для изготовления нитролаков, нитроэмалей и нитромастик, растворяется в смеси растворителей.

Фракционный состав нитратов целлюлозы влияет на их стабильность, механические свойства пленок и т. п. Основным их недостатком является горючесть и легкая воспламеняемость.

Целлулоид представляет собой пластическую массу, состоящею из коллоксилина, пластификатора (камфары), добавок (напрмер, фосфорнокислого натрия), пигментов и красителей. По существу это твердый раствор нитрата целлюлозы в камфаре. Широко применяется для изготовления галантерейных изделий, игрушек, для отделки музыкальных инструментов, изготовления оправ для очков и др.

Этрол представляет собой термопластичный материал, получаемый на основе пластифицированного нитрата целлюлозы с минеральными и органическими наполнителями. Из него изготовляют рулевые колеса, рычаги переключения передач, приборные щитки, детали холодильников, электроизоляционные детали изделий ширпотреба.

Пироксилин (СП 1000-2000) применяется для производства взрывчатых веществ и порохов. Различают три вида порохов, получаемых на основе нитратов целлюлозы: пироксилиновые (температура горения около 2500°С), баллиститные и кордитные. Два последних вида называют также нитроглицериновыми (температура горения около 3500°С).

При получении порохов применяют желатинирующие добавки (смесь этилового спирта и диэтилового эфира, нитроглицерин и другие органические растворители), стабилизаторы (например, дефениламин), флегматизаторы (камфара). Для изготовления баллиститных порохов применяют коллоксилин с высоким содержанием азота (11,5-12,2%).

Нитраты целлюлозы свойства

Нитраты целлюлозы (НЦ) - это высокомолекулярные взрывчатые вещества общей формулы n. Они представляют собой азотнокислые полиэфиры полисахарида целлюлозы. Это соединения, содержащие связанные с атомом углерода нитратные группы ONO2. Технические нитраты целлюлозы являются сложными полимерами, химически неоднородными, содержащими от 5 до 15% незамещённых гидроксильных групп, с разным содержанием азота.

Специфические свойства нитратов целлюлозы определяют область их применения. Лёгкость воспламенения, возможность превращения путём пластификации в материал, горящий по определённому закону параллельными слоями, выделение большого количества газа при их горении, большая сырьевая база объясняют почти монопольность их применения для бездымных порохов.

Благодаря высокой механической прочности нитратов целлюлозы, хорошей совместимости с пластификаторами и переходу в пластическое состояние при незначительном повышении температуры целесообразно их применение для изготовления, в частности, целлулоида.

Растворимость нитратов целлюлозы в распространённых растворителях, таких как спирт, эфир, ацетон и высокие механические свойства полученных плёнок позволяют использовать их для производства нитролаков и лаковых покрытий. На их растворимость влияют содержание в них азота, вязкость, температура, однородность по степени этерификации, а также состав растворителя.

Промышленность выпускает следующие основные виды нитратов целлюлозы:

Коллоксилин с содержанием 10,7-12,2 % азота;

Пироксилин №2 с содержанием 12,2-12,4 % азота;

Пироксилин №1 с содержанием 13-3,5 % азота.

В производстве лаков и красок для обеспечения технологичности раствора требуются нитраты целлюлозы малой вязкости, что соответствует степени полимеризации в пределах 100-300. Большое значение имеет вязкость пироксилинов в производстве пироксилиновых порохов. Наиболее рациональной условной вязкостью для пироксилина №1 считается 6-10? Э, для пироксилина №2- 4-8? Э. В лакокрасочной промышленности, где применяются в основном коллоксилины, при аналитическом контроле их качество оценивается по вязкости их растворов в комбинированном растворителе состава, % : технический нормальный бутилацетат-12,5; технический ацетон-5; этиловый спирт-17,5; бутиловый синтетический спирт-15; нефтяной толуол-50.

В зависимости от испытуемой марки коллоксилина готовятся растворы в этом растворителе с массовой долей 8,20 и 25%.

Для расширения области применения необходимо получить коллоксилины, хорошо растворимые в низших спиртах, таких как этиловый, метиловый. Растворяющее действие метилового спирта, как и этилового, зависит от степени этерификации нитратов целлюлозы.

Для получения нужного нам спирторастворимого коллоксилина следует провести модификацию его свойств омылением различными реагентами, а именно растворами кислых солей сероводородной кислоты, растворами едкого натра, растворами серной и азотной кислот. Но, прежде всего надо изучить свойства коллоксилина, области его применения, способы получения и определить оптимальные условия для получения спирторастворимого коллоксилина, основные характеристики которого соответствуют следующим значениям:

Условная вязкость 1,5-1,7;

Степень полимеризации 300-600.

(710.29 Кб) скачиваний558 раз(а)

Энциклопедичный YouTube

1 / 1

Горение нитроцеллюлозы

Субтитры

Общие сведения

Нитроцеллюлоза - волокнистая рыхлая масса белого цвета, по внешнему виду похожа на целлюлозу . Одна из важнейших характеристик - степень замещения гидроксильных групп на нитрогруппы. В практике чаще всего применяется не прямое обозначение степени замещения, а содержание азота , выраженное в процентах по массе . В зависимости от содержания азота различают [ ]

коллоксилин (10,7 - 12,2 % азота)
пироксилин № 2 (12,05 - 12,4 % азота)
пироколлодий (12,6 % азота) - особый вид нитроцеллюлозы, впервые полученный Д. И. Менделеевым , нерастворим в спирте, растворяется в смеси спирта с эфиром.
пироксилин № 1 (13,0 - 13,5 % азота)

1832 - французский химик Анри Браконно (Henri Braconnot) обнаружил, что при обработке крахмала и древесных волокон азотной кислотой образуется нестойкий горючий и взрывоопасный материал, который он назвал Ксилоидин (Xyloїdine)
1838 - другой французский химик, Теофиль-Жуль Пелуз (Theophile-Jules Pelouze), обработал подобным образом бумагу и картон и получил похожий материал, названный им Нитрамидин (Nitramidine). Низкая стабильность полученной нитроцеллюлозы не позволяла использовать её в технических целях.
1846 - швейцарский химик Кристиан Фридрих Шёнбейн (Christian Fridrich Schönbein) случайно обнаружил более практичный способ получения нитроцеллюлозы. Во время работы в кухне он пролил концентрированную азотную кислоту на стол. Для удаления кислоты химик воспользовался хлопковой тряпкой, а затем повесил её сушиться на печь. После высыхания ткань сгорела со взрывом. Шёнбейн разработал первый приемлемый способ получения нитроцеллюлозы - обработкой одной части хлопковых волокон в пятнадцати частях смеси серной и азотной кислот в соотношении 50:50. Азотная кислота реагировала с целлюлозой с образованием воды и серная кислота была необходима для предотвращения разбавления. После нескольких минут обработки хлопок удалялся из кислоты, промывался в холодной воде до удаления кислот и высушивался.

Полученный новый материал незамедлительно был применён в производстве пороха под названием ружейного хлопка (Guncotton). Нитроцеллюлоза давала в 6 раз больший объем продуктов горения, чем дымный порох , намного меньше дыма и меньше нагревала оружие. Однако производство её было крайне опасным и сопровождалось многочисленными взрывами на производствах. Дальнейшие исследования показали, что ключевую роль в опасности производства играет чистота сырья - если хлопок не был тщательно очищен и высушен, происходили внезапные взрывы.

1869 - в Англии под руководством Фредерика Августа Абеля (Frederick Augustus Abel) была разработана технология с измельчением нитроцеллюлозы в специальных аппаратах- голландерах и многократными (до 8 раз) длительными промывками и сушками, каждая из которых длилась до 2 суток. Голландер приставляет собой овальную в сечении ванну с закрепленными в ней поперечными ножами. Сбоку от ножей проходит вал, с волнистыми дисковыми ножами. При вращении вала, ножи вала проходят в промежутках между неподвижными ножами и режут волокно нитроцеллюлозы. Соотношение серной и азотной кислот в смеси было изменено до 2:1. По такой технологии удавалось получать достаточно стабильный при хранении и применении продукт.

Спустя десять лет после патентования этой технологии, во всем мире начали принимать на вооружение пироксилин, сначала в качестве начинки снарядов и морских мин. Другое применение, которое коллоксилин нашел практически сразу – производство клея для заклеивания небольших ранок. За неимением пластыря (в нашем сегодняшнем понимании), этот клей достаточно быстро обрел популярность. Фактически, это была разновидность густого нитролака. Последовавшая в течение нескольких лет после этого, серия взрывов на предприятиях и складах, занятых процессами с участием пироксилина, заставили пристальнее взглянуть на проблему стабилизации этого продукта. Несмотря на все сложности, с 1879 года и по сей день, нитраты целлюлозы находят широкое применение в технологии энергонасыщенных соединений и многих других областях промышленности.

Получение

Лучшим сырьём для производства нитроцеллюлозы считаются длинноволокнистые сорта хлопка ручной сборки. Хлопок машинной сборки и древесная целлюлоза содержат значительное количество примесей, усложняющих подготовку и снижающих качество продукции. Нитроцеллюлозу получают действием на очищенную, разрыхлённую и высушенную целлюлозу смесью серной и азотной кислот, называемой нитрующей смесью.

Нитраты целлюлозы, или азотнокислые эфиры целлюлозы, являются сложными эфирами целлюлозы и азотной кислоты.

Реакцию нитрования целлюлозы с азотной кислотой можно представить следующим образом:

N + 3 n HNO 3 <-> n + 3 n H 2 O

Азотная кислота этерифицирует целлюлозу слишком медленно и не дает высокозамещенных стойких азотнокислых эфиров, а при концентрации ниже 75% HNO 3 вообще уже не этерифицирует целлюлозу. Поэтому этерификация одной HNO 3 нецелесообразна из-за большого ее расхода.

Нитрование обычно проводят в присутствии водоотнимающих средств, в качестве которых в промышленности применяют серную кислоту, а в лабораторной практике уксусный или фосфорный ангидрид (в смеси с уксусной или фосфорной кислотой). Нитрование целлюлозы тройными смесями HNO 3 - H 2 SO 4 - H 2 O является основой промышленного способа производства нитратов целлюлозы.

Серная кислота, входящая в состав нитрующей смеси, связывая выделяющуюся воду при реакции, сдвигает ее равновесие вправо. Иначе говоря, H 2 SO 4 регулирует количество свободной воды в смеси. Вода, наоборот, способствует переходу HNO 3 в гидратированную ионную форму:

NO2 - OH + H2O <-> H3O+ + NO3-

Скорость реакции нитрования зависит от соотношения в смеси между азотной и серной кислотами. Увеличение содержания H 2 SO 4 с параллельным уменьшением содержания HNO 3 сверх определенного предела понижает скорость реакции и приводит к деструкции целлюлозы. При слишком высоком содержании H 2 SO 4 целлюлоза растворяется в нитрующей смеси и далее гидролизуется. Однако необходимо поддерживать в смеси такое количество серной кислоты, при котором достигается хорошее набухание целлюлозы, облегчающее доступ азотной кислоты внутрь волокна и тем самым повышающее скорость процесса. Реакция становится пермутоидной. Поэтому подбирают оптимальное соотношение азотной и серной кислот. Обычно в практике используют отношение HNO 3 к H 2 SO 4 около 1:3.

C 6 H 9 O 4 (OH) + H 2 SO 4 > C 6 H 9 O 4 (OSO 2 OH) + H 2 O

Образование смешанных сернокислых и азотнокислых эфиров объясняет невозможность практически достичь теоретического содержания азота, соответствующего тринитрату целлюлозы. Присутствие сернокислых эфиров (очень нестойких) уменьшает устойчивость (стабильность) нитратов целлюлозы. Нитраты целлюлозы уже при умеренных температурах самопроизвольно разлагаются. Скорость разложения быстро растет с повышением температур и резко возрастает в присутствии примесей кислот, щелочей и др. разложение нитратов целлюлозы - самоускоряющийся процесс, который, особенно в присутствии влаги и кислорода, может закончиться вспышкой и взрывом. Это взывает необходимость стабилизации полученного нитрата целлюлозы, который для этого промывают горячей водой, разбавленными кислотами. 0,2 - 1%-ным раствором соды и т.д. Сернокислые эфиры при этом гидролизуются.

Повышение температуры увеличивает скорость процесса нитрования, не влияя на состояние равновесия. Однако при этом возрастают и скорости побочных процессов - окислительной и гидролитической деструкции. Увеличение температуры способствует и гидролитической деструкции целлюлозы, особенно при одновременном повышении содержания воды в кислой смеси. Вода повышает степень ионизации и, следовательно, гидролизующее действие кислот, особенно H 2 SO 4 .

Влияние продолжительности реакции на процесс подобно влиянию температуры. Так как реакция нитрования идет быстро, процесс осуществляется обычно в течение 30 мин - 1 ч. Дальнейшее увеличение продолжительности способствует гидролитической деструкции целлюлозы.

Вследствие отрицательного влияния H 2 SO 4 на процесс нитрования (образование сульфатов, гидролитическая деструкция) в некоторых случаях ее заменяют другими водоотнимающими агентами. В лабораторной практике обычно применяют смесь азотной, фосфорной кислот и фосфорного ангидрида или азотной, уксусной кислот и уксусного ангидрида. В этих случаях нитрование протекает почти в безводной среде, оно идет более полно (получаются тринитраты почти с теоретическим содержанием азота) и практически отсутствует деструкция целлюлозы.

Нитраты, полученные таким способом, используются для определения СП целлюлозы и ее фракционирования.

При нитровании с применением H 2 SO 4 иногда используют разбавители - инертные органические растворители (например, хлорированные углеводороды). Можно также проводить нитрование азотной кислотой в присутствии ее солей. Иногда вместо азотной кислоты применяют другие нитрующие агенты (например, ангидрид азотной кислоты).

Технический процесс получения нитратов целлюлозы состоит из следующих операций:

1. Измельчения и сушки целлюлозы;

2. Нитрования смесью кислот (состав смеси подбирается в зависимости от назначения конечного продукта);

3. Удаления отработанной смеси центрифугированием;

4. Стабилизации;

5. Регулирования вязкости конечного продукта (снижением сп способом гидролиза);

6. Вытеснения воды этиловым спиртом.

При производстве нитратов целлюлозы выполняют ряд анализов. Определяют процентное содержание азота (способом Лунге). По процентному содержанию азота [N] рассчитывают степень СЗ:

Анализ основан на омылении нитрата целлюлозы серной кислотой в присутствии ртути, восстанавливающей образующуюся азотную кислоту до окиси азота, объем которой измеряют:

2HNO 3 + 3 H 2 SO 4 + 6Hg > 2NO + 3Hg 2 SO 4 + 4H 2 O

Определяют стойкость нитрата целлюлозы при различной температуре, вязкости и СП, температуру вспышки и растворимость в различных растворителях.

10.5 Свойства нитратов целлюлозы и их применение

Различают следующие основные виды технических нитратов целлюлозы, которые в зависимости от СЗ и СП находят различное практическое применение: коллоксилин (10,7 - 12,5% N), пироколлодий (12,6 ± 0,1% N), пироксилин №2 (12,2 12,5% N), пироксилин №1 (13,0 - 13,5% N).

Нитраты целлюлозы, содержащие 9 - 11% N, растворяются в этиловом спирте, нитраты с содержанием до 13% N - в смеси этилового спирта и эфира. Все нитраты целлюлозы растворяются в ацетоне. Нитраты целлюлозы любой степени замещения не растворяются в воде и неполярных растворителях (например, в бензоле).

Коллоксилин применяют для производства этрола, целлулоида и лаков. Он не устойчив к действию кислот и щелочей. Разбавленные минеральные кислоты вызывают медленную денитрацию коллоксилина. Концентрированная серная кислота растворят коллоксилин. Коллоксилин растворяется в кетонах (ацетон), сложных эфирах (этилацетат, бутилацетат и др.), фурфуроле, диоксане и уксусной кислоте; устойчив к действию ароматических и алифатических углеводородов и масел. Из высококипящих растворителей, применяемых в качестве пластификаторов, коллоксилин растворяется в камфаре, эфирах фталевой кислоты и др. Этрольные и целлулоидный коллоксилины с содержанием азота 10,9 - 11,2% растворяются в спирто-камфарных смесях. Коллоксилин с содержанием азота 11,2 - 12,5%, предназначенный для изготовления нитролаков, нитроэмалей и нитромастик, растворяется в смеси растворителей.

Фракционный состав нитратов целлюлозы влияет на их стабильность, механические свойства пленок и т.п. Основным их недостатком является горючесть и легкая воспламеняемость.

Целлулоид представляет собой пластическую массу, состоящую из коллоксилина, пластификатора (камфары), добавок (например, фосфорнокислого натрия), пигментов и красителей. По существу это твердый раствор нитрата целлюлозы в камфаре. Широко применяется для изготовления галантерейных изделий, игрушек, для отделки музыкальных инструментов, изготовления оправ для очков и др.

Этрол представляет собой термопластический материал, получаемый на основе пластифицированного нитрата целлюлозы с минеральными и органическими наполнителями. Из него изготавливают рулевые колеса, рычаги переключения передач, приборные щитки, детали холодильников, электроизоляционные детали изделий ширпотреба.

Пироксилин (СП 1000 - 2000) применяется для изготовления взрывчатых веществ и порохов. Различают три вида порохов, получаемых на основе нитрата целлюлозы: пироксилиновые (температура горения около 2500єС), баллистические и кордитные. Два последних также называют нитроглицериновыми (температура горения около 3500єС).

При получении порохов применяют желатинирующие добавки (смесь этилового спирта и диэтилового эфира, нитроглицерин и другие органические растворители), стабилизаторы (например, дефениламин), флегматизаторы (камфара). Для изготовления баллистических порохов применяют коллоксилин с высоким содержанием азота (11,5 - 12,2%). Пороха для ракетных двигателей часто называют твердыми ракетными топливами.

Нитраты целлюлозы (НЦ) являются энергетической и структурной основой нитратцеллюлозных порохов и твердых топлив.

Нитратами целлюлозы называются сложные эфиры целлюлозы и азотной кислоты. Для производства нитратов целлюлозы применяют целлюлозу, которая содержится в хлопке, древесине, льне, соломе и т. п. в количестве от 92–93 % (хлопок) и до 50–60 % (древесина). Для изготовления высококачественной нитроцеллюлозы применяют чистую целлюлозу, получаемую из указанного сырья специальной химической обработкой.

Молекула целлюлозы состоит из большого числа одинаково построенных и связанных между собой глюкозных остатков С6Н10О5.

Поэтому общая формула целлюлозы имеет вид (С6Н10О5)n, где n – число глюкозных остатков.

В каждом глюкозном остатке имеется по три гидроксильные группы –ОН. Именно эти гидроксильные группы реагируют с азотной кислотой по схеме:

где m =1; 2 или 3.

В зависимости от условий нитрации могут замещаться не все гидроксильные группы, а только часть из них. По этой причине получается не одна, а несколько нитроцеллюлоз разной степени этерификации.

Строение целлюлозы нельзя выразить какой-либо определенной формулой вследствие того, что она неоднородна по величине молекул. Еще в большей мере это относится к нитратам целлюлозы, которые к тому же состоят из молекул, неоднородных по степени этерификации. Нитраты целлюлозы в зависимости от содержания азота (степени этерификации), растворимости в спиртоэфирной смеси и от степени полимеризации практически классифицируют на следующие виды: пироксилин № 1, пироксилин № 2, смесевые пироксилины марок ВА, СА, НА, пироколлодий, а также коллоксилины различных марок: Н, ВНВ, ПСВ, КП

Марки НЦ	Характеристики
			Растворимость в спиртэфирной смеси, %	Вязкость, 0 Э
			Растворимость в спиртэфирной смеси, %	Вязкость, 0 Э
Пироксилин №1
Пироксилин №2			Не менее 98
Смесевой ВА		н.м. 13,0-13,1
Смесевой СА
Смесевой НА
Коллоксилин Н

13.Марки пироксилинов, используемые в производстве пп. Почему не применяют в производстве однотипные пироксилины, коллоксилины. Пояснить.

пироксилин № 2 полностью набухает в спиртоэфирной смеси и частично образует жидкий раствор. Пироксилин № 1 лишь частично набухает в растворителе, но, находясь между сольватированными частицами пироксилина № 2, становится подвижным, т. е. пироксилин № 1 и пироксилин № 2 взаимодействуют не только с растворителем, но и друг с другом. Установлено, что растворенный пироксилин № 2 является более эффективным пластификатором для пироксилина № 1, чем спиртоэфирная смесь.

Под растворимостью НЦ подразумевают количество ее, перешедшее в раствор при обработке навески (1 г) спиртоэфирной смесью (150 мл)

с соотношением компонентов 1:2 (по объему).

Пироколлодий очень хорошо пластифицируется спиртоэфирным растворителем, но из-за большой растворимости его в спиртоэфирной смеси при изготовлении порохов требуется на 25–30 % больше растворителя, чем для смесевого пироксилина с тем же содержанием азота.

Снижение растворимости смесевого пироксилина вследствие уменьшения содержания в нем пироксилина № 2 ведет к сокращению расхода растворителя. Однако при очень малом содержании пироксилина № 2 в смеси расход растворителя также возрастает. Это связано с тем, что пироксилин № 1 плохо пластифицируется спиртоэфирной смесью, поэтому необходимо повышать активность спиртоэфирной смеси путем увеличения в ней содержания эфира.

По Броунсу, наилучшей пластичностью при одном и том же расходе растворителя обладают среднеазотные пироксилины с растворимостью около 40 %.

Основную роль в набухании смесевых пироксилинов играет пироксилин № 2. Одним из основных параметров, определяющих поведение пироксилина № 2, является степень нитрации.

14.Почему в производстве ПП пироксилины необходимо пластифицировать. Пояснить подробно. Пластификаторы, используемые в производстве ПП. Опробируемые или рекомендуемые к применению. Структурные формулы этих веществ - растворителей.

Пластификаторы нитратов целлюлозы. Если бы нитраты целлюлозы были способны уплотняться до плотности 1600−1670 кг/м3 (1,60–1,67 г/см3) и формоваться при прессовании на истечение, то порох можно было бы изготовить из одного компонента – нитратов целлюлозы. Однако это невозможно. Это объясняется отсутствием для нитратов целлюлозы свойства пластичности.

Они являются твердыми веществами волокнистого строения, рыхлыми, с большим числом макро - и микропустот, заполненных воздухом, и состоят из жестких полярных макромолекул, связанных между собой довольно прочно различными силами (межпачечными и межмолекулярными) и не способных ввиду этого к перемещению одна относительно другой. Они не обладают термопластичностью даже в области высоких температур и находятся в застеклованном состоянии.

Общая энергия связи между макромолекулами по всей их длине может значительно превышать энергию связи между отдельными звеньями цепи. Поэтому оторвать одну молекулу от другой столь же трудно, как и разорвать макромолекулы на отдельные звенья.

Суммарная величина энергии межмолекулярного взаимодействия НЦ намного превосходит величину энергии теплового движения звеньев и сегментов цепных макромолекул. При нагревании НЦ разрушение химических связей происходит раньше, чем суммарное ослабление вторичных (межмолекулярных и межпачечных) связей окажется достаточным для обеспечения условий перехода вещества из стеклообразного в высокоэластичное и вязкотекучее состояние.

Было установлено, что ни давление, ни температура, ни продолжительность обработки НЦ в формующих прессах не могут привести их в пластическое состояние. Следовательно, для того чтобы придать НЦ такие свойства, которые бы определяли его текучесть под влиянием внешних деформирующих усилий, их необходимо модифицировать.

Одним из способов модификации НЦ является пластификация . Она заключается во введении в полимер различных жидкостей и твердых веществ (пластификаторов) с целью облегчения его переработки, а также с целью улучшения эластичности материала и придания ему морозо-устойчивости.

При пластификации изменяется вязкость системы, увеличивается гибкость макромолекул и подвижность надмолекулярных структур. Для коллоксилинов, пироколлодия, пироксилина № 2, смесевых пироксилинов хорошим пластификатором является смесь этилового спирта с диэтиловым эфиром. Следует отметить, что в отдельности этиловый спирт и диэтиловый эфир не являются пластификаторами НЦ.

Наиболее эффективным пластификатором всех НЦ (от коллоксилинов до пироксилинов) с наивысшей степенью этерификации являются ацетон и этилацетат. Нитроглицерин, нитродигликоль являются хорошими пластификаторами коллоксилина. Дополнительными пластификаторами являются динитротолуол, дибутилфталат.

При добавлении к пироксилинам соответствующего количества спиртоэфирной смеси получается масса, которая легко деформируется под действием внешних сил, но после снятия нагрузки в исходное состояние не возвращается, т. е. в системе имеет место большая остаточная деформация из-за пластического течения, которое, как известно, всегда осложняется развитием высокоэластической деформации.

ацетон; Этилацетат;НГЦ.

15) Наиболее важен простой, диэтиловый эфир , формула которого имеет следующий вид: (С2Н5)2О или С4Н10О . Он представляет собой бесцветную, прозрачную, очень подвижную летучую жидкость, имеющую своеобразный запах и жгучий вкус. Под воздействием света, воздуха, тепла и влаги эфир способен разлагаться, образовывая при этом токсичные альдегиды, пероксиды и кетоны, которые раздражают дыхательные пути. При температуре воды в 20 градусов растворяется на 6,5%. Хорошо смешивается с жирными и эфирными маслами, бензолом и спиртом, независимо от соотношения. Сам эфир, впрочем, как и его пары, легко воспламеняется. В определенной пропорции с кислородом или же воздухом пары диэтилового эфира, используемые для наркоза, взрывоопасны

Химические свойства Для диэтилового эфира характерны все химические свойства простых эфиров. Итак, разберемся с этим вопросом подробнее. Это довольно инертное вещество. Основное отличие от сложных эфиров – отсутствие гидролиза, правда, есть и исключения. На холоде не взаимодействует с хлоридом фосфора, металлическим натрием и многими разбавленными минеральными кислотами. Несмотря на это, концентрированные кислоты (серная и йодоводородная) даже при низких температурах разлагают эти эфиры, а нагретый металлический натрий их расщепляет. Эфир с неподеленными парами электронов взаимодействует с протоном сильной кислоты, в результате чего образуется неустойчивое оксониевое соединение: - Ацидолиз. Серная и йодоводородная кислоты, а также FeCl3 в ангидриде уксусной кислоты способны расщеплять простые эфиры. Химическая реакция выглядит так: CH3-CH2-O-CH2-CH3 + HJ → CH3-CH2-OH + J-CH2-CH3. - Реакция металлирования, получившая название реакции Шорыгина. Нагретый металлический натрий расщепляет диэтиловый эфир: C2H5–O–C2H5 + 2Na → C2H5ONa + C2H5Na - Относительная химическая инертность не препятствует эфирам при хранении на воздухе образовывать перекиси, что зачастую приводит к взрывам в конце перегонки.

Диэтиловый эфир: физические свойства Своеобразный запах, низкая температура кипения простых эфиров – свидетельство слабого межмолекулярного воздействия, а это говорит о низкой полярности и отсутствии предпосылок к образованию водородных связей. В отличие от спиртов эфирам присущи более сильные электронодонорные свойства, что подтверждается значением потенциалов ионизации. Усиление этих особенностей связано с положительным индуктивным эффектом группы атомов, получающихся из алканов при удалении атома водорода.

Температура кипения диэтилового эфира – 35,6 градуса по Цельсию (это гораздо ниже, чем у изомерных спиртов), а замерзания – 117 оС. Простые эфиры почти не смешиваются с водой. Объяснение этому довольно простое: они не способны образовывать водородные связи, поскольку их молекулы не имеют полярных связей. Плохо растворяется в воде и диэтиловый эфир, плотность которого по отношению к оксиду водорода составляет 0,714. Одной из особенностей рассматриваемого вещества является склонность к электризации. Вероятность возникновения разрядов статического электричества особо высока при переливании или сливе химсостава, в результате чего может произойти воспламенение. Пары эфира образуют с воздухом, который в 2,5 раза легче, взрывчатые смеси. Нижний предел взрываемости – 1,7%, а верхний – 49%. Работая с эфиром, не следует забывать, что его пары имеют свойство распространяться на большие расстояния без потерь способности к горению. Так что основная мера предосторожности – отсутствие вблизи открытого огня и прочих источников воспламенения. Простой эфир – малоактивное соединение, в разы менее реакционноспособное по сравнению со спиртами. Замечательно растворяет большую часть органических веществ, благодаря чему используется в качестве растворителя. Исключением не является и диэтиловый эфир. Физические свойства, равно как и химические, позволяют применять его в медицине и на производстве

Получение диэтилового эфира Простые эфиры в природе не встречаются - их получают синтетическим путем. Под воздействием кислотных катализаторов на этиловый спирт при повышенной температуре получается диэтиловый эфир (формула указана выше). Проще всего получить это вещество посредством перегонки смеси, состоящей из серной кислоты и спирта. Для этого ее необходимо разогреть до 140-150 градусов по Цельсию. Нам понадобится этиловый спирт и серная кислота (в равных пропорциях), пипетки, пробирки и газоотводные трубки. Итак, после того как оборудование и реактивы подготовлены, можно приступать к проведению опыта. В пробирку (она обязательно должна быть сухой) необходимо налить 2-3 мл смеси спирта и кислоты и медленно нагреть. Как только начнется кипение, горелка убирается, а в горячую смесь при помощи пипетки по стенке пробирки добавляется от 5 до 10 капель этилового спирта. Протекающая реакция выглядит следующим образом: СН3-СН2-ОН (этилсерная кислота) + H2S04 СН3-СН2-OSO3H + Н2О; CH3-СН2-OSO3H + СН3-СН3-О; СН3-СН2-О-СН2-СН3(диэтиловый эфир)+ Н2SO4. Об образовании диэтилового эфира свидетельствует появившийся запах.

Состав и формула Этанол - а именно так звучит одно из его официальных названий - относится к простым спиртам. Он знаком практически всем под теми или иными наименованиями. Часто его называют просто спиртом, иногда прибавляют прилагательные "этиловый" или "винный", химики могут также назвать его метилкарбинолом. Но суть одна - С2Н5ОН.

Физические и химические свойства Этанолу присущи все общие характеристики и реакции спиртов. Он бесцветный, обладает характерными вкусом и запахом. В нормальных условиях он жидкий, переходит в твердую форму при температуре -114 оС, а кипит при +78 градусах. Плотность спирта этилового составляет 0,79. Хорошо смешивается с водой, глицерином, бензолом и многими другими веществами. Легко улетучивается, так что хранить его нужно в хорошо закрывающихся емкостях. Сам является прекрасным растворителем, а также обладает отличными антисептическими свойствами. Очень огнеопасен как в жидком, так и в парообразном состоянии. Этанол является психоактивным и наркотическим веществом, входит в состав всех спиртных напитков. Смертельной дозой для взрослого человека является 300-400 миллилитров 96 % раствора спирта, употребленного в течение часа. Эта цифра довольно условна, поскольку зависит от большого количества факторов. Для детей достаточно уже 6-30 миллилитров. Так что этанол является и достаточно эффективным ядом. Тем не менее, он широко используется, поскольку обладает рядом уникальных свойств, делающих его универсальным