Триацетат — общее название органических соединений, представляющих собой сложные эфиры уксусной кислоты и трёхатомных спиртов (либо полимеров, содержащих гидроксильные группы, замещённые ацетильными группами не менее чем на 92%). В узком смысле под триацетатом понимают триацетат целлюлозы — полимерный материал, применяемый для производства волокон, плёнок и пластмасс.
Общая характеристика
Триацетаты образуются в результате реакции этерификации — взаимодействия спиртов с уксусной кислотой или её ангидридом. В зависимости от природы спиртового компонента выделяют несколько основных типов триацетатов:
- Триацетат целлюлозы — высокомолекулярное соединение, продукт ацетилирования целлюлозы (хлопка, древесной массы);
- Глицерилтриацетат (триацетин) — низкомолекулярный эфир глицерина, жидкость;
- Триацетаты других полиолов (например, триметилолпропана, пентаэритрита и др.), используемые как пластификаторы, растворители и полупродукты в органическом синтезе.
Наибольшее промышленное значение имеет триацетат целлюлозы, поскольку он сочетает термопластичность, высокую прочность, прозрачность и химическую стойкость.
Триацетат целлюлозы
Химическое строение и синтез
Макромолекула целлюлозы состоит из ангидроглюкозных звеньев, каждое из которых содержит три свободные гидроксильные группы (в положениях 2, 3 и 6). При полном ацетилировании все они замещаются ацетатными группами (–O–CO–CH₃). Идеализированная формула элементарного звена триацетата целлюлозы: [C₆H₇O₂(OCOCH₃)₃]n. Степень замещения в коммерческом триацетате составляет 2,9–3,0, что соответствует содержанию связанной уксусной кислоты 60,0–62,5%.
Процесс получения включает несколько стадий:
- Активация целлюлозы ледяной уксусной кислотой для набухания и повышения реакционной способности.
- Ацетилирование уксусным ангидридом в присутствии катализатора (серная или хлорная кислота) при температуре 30–50 °C. Массовое соотношение целлюлозы, ангидрида и кислоты тщательно контролируется.
- При необходимости — частичный гидролиз (созревание) с добавлением воды для снижения СЗ до целевого уровня (для получения вторичного ацетата) или для удаления остатков катализатора.
- Выделение продукта осаждением в воду или разбавленную уксусную кислоту, последующая промывка, центрифугирование и сушка до порошкообразного или хлопьевидного состояния.
Физико-химические свойства
Триацетат целлюлозы — твёрдый аморфный полимер белого цвета, не имеющий выраженного запаха. Он не растворяется в воде, спиртах и ацетоне, но растворим в хлорированных углеводородах (дихлорметан, хлороформ, трихлорэтилен), а также в смесях метиленхлорида с метанолом или этанолом (в соотношении 9:1). Обладает высокими диэлектрическими показателями, хорошей светостойкостью и стабильностью размеров. Показатель преломления nD20 = 1,47–1,48; светопропускание плёнок толщиной 0,1 мм составляет около 90%. Основные параметры в сравнении с родственными материалами приведены в таблице.
| Свойство | Триацетат целлюлозы | Диацетат целлюлозы | Триацетин |
|---|---|---|---|
| Химическая формула (элемент. звена / молекулы) | [C₆H₇O₂(OCOCH₃)₃]n | [C₆H₇O₂(OCOCH₃)₂(OH)]n | C₉H₁₄O₆ |
| Степень замещения (ацетильные группы, %) | 2,9–3,0 (43–44%) | 2,2–2,7 (37–40%) | 3 (полный эфир) |
| Молекулярная масса | 50 000–250 000 (полимер) | 30 000–100 000 (полимер) | 218,21 г/моль |
| Плотность при 20°C, г/см³ | 1,28–1,32 | 1,26–1,30 | 1,158–1,162 |
| Температура стеклования, °C | 180–190 | 150–170 | жидкость (−78 °C застывания) |
| Температура плавления / размягчения, °C | 290–300 (с разложением) | 230–250 (с разложением) | – |
| Растворимость в ацетоне | нерастворим | растворим | смешивается во всех пропорциях |
| Водопоглощение (при 21°C, 65% отн. влажн.), % | 1,2–1,5 | 2,5–3,5 | смешивается с водой |
| Прочность волокна на разрыв (сухое), cN/текс | 10–14 | 8–12 | – |
| Удлинение при разрыве, % | 25–35 | 20–30 | – |
| Диэлектрическая постоянная (при 1 кГц) | 3,5–4,0 | 4,0–5,0 | – |
Применение триацетата целлюлозы
Благодаря комплексу ценных свойств триацетат целлюлозы нашёл применение во многих отраслях:
- Текстильная индустрия: производство штапельного и филаментного волокна, из которого изготавливают плательные, блузочные, подкладочные ткани, а также трикотаж. Триацетатные ткани имитируют шёлк, хорошо драпируются, мало сминаются и сохраняют плиссировку после многократных стирок благодаря высокой температуре стеклования. В смеси с хлопком, шерстью или полиэфиром придают изделиям формоустойчивость и мягкость.
- Кинематограф и фотография: вплоть до 2000-х годов триацетатные плёнки были стандартом для профессионального кино (35 мм и 70 мм киноплёнка) и микрофильмирования, поскольку их негорючесть делает обращение значительно безопаснее нитроцеллюлозных аналогов.
- Оптика и электроника: поляризационные плёнки для жидкокристаллических дисплеев (LCD), защитные покрытия экранов, очковые линзы (совместно с ацетобутиратом целлюлозы), просветляющие покрытия.
- Упаковка: жёсткие контейнеры для блистерной упаковки, прозрачные окна в картонных коробках, термоусадочные этикетки с высокой степенью усадки.
- Электротехника: электроизоляционные ленты, межслойная изоляция в трансформаторах, диэлектрические плёнки в конденсаторах, кабельная изоляция.
- Композитные материалы: связующее для препрегов, наполнитель в специальных покрытиях, добавка, повышающая термостойкость и адгезию полимеров.
- 3D-печать: филаменты на основе триацетата целлюлозы обладают пониженной усадкой и хорошей межслойной адгезией; используются для биоразлагаемых изделий.
Триацетин (глицерилтриацетат)
Триацетин представляет собой бесцветную маслянистую жидкость с едва заметным характерным запахом. Получают его прямой этерификацией глицерина уксусной кислотой в присутствии кислотных катализаторов либо переэтерификацией триглицеридов с уксусной кислотой. Технический продукт содержит не менее 97% основного вещества, остальное приходится на моно- и диацетаты глицерина.
Триацетин зарегистрирован в качестве пищевой добавки E1518 и разрешён к использованию в странах Евросоюза, США, России и многих других государствах. Он выполняет функции увлажнителя, растворителя ароматизаторов и смягчителя текстуры.
Сферы использования триацетина
- Пищевая промышленность: компонент жевательной резинки, кондитерских изделий, ароматизированных масел и напитков; предотвращает кристаллизацию сахара и высыхание продуктов.
- Фармацевтика: пластификатор для твёрдых и мягких желатиновых капсул, основа для трансдермальных пластырей, компонент сиропов и эликсиров.
- Косметика: растворитель отдушек, смягчающий агент в кремах и лосьонах, фиксатор аромата в дезодорантах и антиперспирантах.
- Производство пластиков: пластификатор для ацетатов целлюлозы, поливинилхлорида, полиуретанов, поливинилацетата; улучшает гибкость, текучесть и перерабатываемость композиций.
- Табачная продукция: увлажнитель для табака, компонент клея для сигаретной бумаги, добавка в фильтры, регулирующая влажность и аромат.
- Технические жидкости: присадка к гидравлическим маслам, тормозным жидкостям (DOT-3, DOT-4), антиобледенительным составам; повышает смазывающие свойства и вязкость.
- Печать и покрытия: растворитель для чернил, компонент лаков и красок, обеспечивающий быстрое высыхание и глянцевый блеск.
Исторический аспект
Первые эксперименты по ацетилированию целлюлозы провёл Поль Шутценберже в 1869 году, однако промышленное производство волокна стартовало спустя полвека. В 1919 году компания Celanese начала выпуск ацетатного шёлка («целанез»), а в 1954 году — триацетатное волокно под маркой Arnel. В Великобритании Courtaulds выпускала аналогичное волокно Tricel. В СССР триацетатное волокно «Триацетат» начали вырабатывать в 1960-е годы на базе хлопковой целлюлозы; оно широко применялось для школьной формы, платьев и подкладки. С развитием полиэфирных волокон в 1970–1980-х годах доля триацетата сократилась, однако его экологичность (биоразлагаемость, возобновляемое сырьё) вновь привлекла внимание в XXI веке. Сегодня триацетатные ткани переживают ренессанс в сегменте «устойчивой моды» и спортивной одежды благодаря комбинации комфорта и терморегулирующих свойств.
Экологические аспекты и безопасность
Триацетат целлюлозы и триацетин относятся к биоразлагаемым соединениям. В естественных условиях под действием микроорганизмов они распадаются на уксусную кислоту и углеводы/глицерин, которые включаются в природные циклы. Период полураспада триацетатной плёнки в почве составляет от нескольких месяцев до 2–3 лет в зависимости от условий, что значительно лучше, чем у полиолефинов (сотни лет). Однако при производстве используются токсичные растворители (дихлорметан, хлороформ) и уксусный ангидрид, поэтому заводы должны быть оснащены системами рекуперации и очистки выбросов. Готовая продукция из триацетата инертна и не выделяет вредных веществ при нормальных условиях эксплуатации.
С точки зрения здоровья человека триацетатное волокно гипоаллергенно, не вызывает раздражений кожи, что позволяет использовать его в детской одежде и медицинском текстиле. Триацетин обладает низкой острой токсичностью (LD50 для крыс > 3 г/кг) и не проявляет мутагенных или канцерогенных свойств. Оба материала допущены к прямому контакту с пищевыми продуктами и кожей.
(Пока оценок нет)
Загрузка...
