سلولز و مشتقات آن کدامند؟
سلولز رایج ترین نوع پلی ساکارید موجود در طبیعت است. ماده یاد شده نوعی پلیمر خطی است که از حلقه های اتری شش عضوی (D-glucose یا dextrose) تشکیل شده است و با استفاده از پیوندهای کوالانسی به گروههای اتری متصل شده است که به این اتصالات، پیوندهای گلیکوزیدی هم گفته میشود. معمولاً یک پلیمر سلولزی از اتصال تعداد بسیار زیادی از واحدهای تکراری گلوکز به وجود می آید. سلولز و مشتقات آن می‌توانند به عنوان پلیمرهای چگال نیز در نظر گرفته شوند زیرا هیدرولیز این مواد باعث تولید مولکول های گلوکز میشود. ساختار حلقوی در زنجیره اصلی پلیمر به همراه تعدادی از اتصالات هیدروژنی و قوی باعث می شود تا سلولز ساختاری بسیار مستحکم پیدا کند. این در حالی است که گلوکز و انواعی از مشتقات آن دارای دمای گذار شیشه و همچنین نقطه ذوب بالا می باشند. پیوندهای هیدروژنی قوی بین مولکولی بین گروههای هیدروکسیل باعث میشود تا نواحی بلورین و منظمی به وجود بیایند که تماس بسیار کمی با واکنشگرها دارند. این موضوع به خوبی عدم انحلال پذیری سلولز در آب و همچنین نیازمندی انواعی از مواد قلیایی قوی مانند سودای زننده به تجزیه به ساختاری کوچک و تولید گروه های هیدروکسیل مرتبط با واکنشگر ها را نشان می دهد. سلولز تنها پلیمر ارگانیکی است که به بیشترین مقدار بر روی کره زمین یافت می شود. در واقع این ماده یکی از اجزای ساختاری دیواره های سلولی اولیه در گیاهان را تشکیل می‌دهد. سلولز موجود در رشته‌های نخ حدود ۹۰ درصد است. همچنین چندان جای تعجب نیست که پلیمر یاد شده به عنوان یک ماده خام اصلی برای تولید مشتقات سلولزی نیمه ترکیبی به کار برده می شود.
استر سلولز
مهمترین استر سلولز های موجود عبارتند از سلولز استات و همچنین سایر مواردی مانند acetate-propionate (CAP) و cellulose acetate-butyrate (CAB). در بین تمام این موارد سلولز استات تا به کنون به عنوان مهمترین استر سلولز موجود شناخته می شود. اولین بار برای تولید فیلم های عکاسی و پس از آن به عنوان پوششی برای مواد در هواپیما به کار برده شد. این پلیمر همانند سلفون از سلولز تشکیل شده است ولی دارای خواص بسیار متفاوتی می باشد و برعکس سلفون ماده‌ای ترموپلاستیک بوده و به همین دلیل زمانی که در معرض حرارت قرار بگیرد نرم شده و ذوب خواهد شد. رایج ترین منبع سلولز نیز ریزپنبه ها می باشند. رشته های یاد شده با آستیک اسید متبلور و آستیک آن هیدر آید واکنش داده و در این واکنش از کاتالیزگرهای سولفوریک اسید نیز استفاده می شود. در نهایت نیز ماده ای به نام سلولز تری استات تولید می شود. در گام بعدی نیز آب به این واکنش اضافه می شود تا آن را متوقف سازد و همچنین تا حدودی ماده تری استات را هیدرولیز نماید. سلولز استات نوعی پلاستیک انعطاف پذیر سخت و بلورین است و همچنین به عنوان پایدار ترین مشتق گروه سلولزی شناخته می شود. این ماده مقاومت شیمیایی بسیار بالایی در مقابل اسیدهای ضعیف ارگانیک و غیر ارگانیک، هیدروکربنها، روغن نباتی و موارد مشابه دارد. معمولاً نرم کننده ها نیز به این مواد افزوده می‌شوند تا انعطاف پذیری آن را افزایش دهند و یا ترکیبی از استر سلولزی مانند بوتیرات استات و پروپیونات استات تولید می شوند که دارای انعطاف پذیری سختی و همچنین مقاومت بالاتری در برابر رطوبت می باشند.
اتر سلولز، خواص و مصارف ان
اتر سلولز ها از خمیر کاغذ و یا ریز پنبه وجود می آیند. سلولز در فرایند مشابه با سلفون و در محلولی به با نام سدیم هیدروکسید قرار می گیرد. پس از آن نیز سلولز قلیایی در معرض آلکیل هالید و یا یک اپوکسید قرار می گیرد. متد اولیه به طور متناوب به منظور آماده سازی سلولز های اتیلی به کار برده می شود و این در حالی است که متد دوم در تولید سلولزهای هیدروکسی اتیل و هیدروکسی پروپیل کاربرد دارد. به طور متناوب میتوان سلول های قلیایی را با الکیل سولفات فرآوری نمود. به عنوان مثال فراوری متیل سولفات روندی معمول برای تولید متیل سلولز است. مهمترین پلیمرهای سلولزی اصلاح شده عبارتند از متیل سلولز و اتیل سلولز. سایر سلولزهای اتیلی مهم و تجاری نیز این موارد را شامل می شود: هیدروکسی پروپیل سلولز (HPC), هیدروکسی اتیل سلولز (HEC), و کربوکسی متیل سلولز یا CMC. می توان پلیمر های یاد شده را با استفاده از فراوری سلولز قلیایی با اپوکسیدها و یا کلرو استات تولید نمود. متیل سلولز از مهمترین سلولز های اتری تجاری موجود میباشد و همچنین به عنوان ساده ترین مشتق سلولزی شناخته میشود که در آن گروه های متوکسی جایگزین گروه های هیدروکسیل شده‌اند. مهمترین خواص این پلیمر غیر یونی عبارتند از انحلال پذیری در آب و ایجاد حالت ژله‌ای زمانی که ماده در معرض حرارت قرار بگیرد. اگرچه پلیمر غیر یونی یاد شده دارای خاصیت انحلال پذیری در آب می باشد ولی فیلم های تولید شده از متیل سلولز معمولاً استحکام خود را حفظ می‌کنند و با قرارگیری در معرض رطوبت ویژگی های ظاهری خود را از دست نمی دهند. فیلم های پلیمری ساخته شده از متیل سلولز دارای استحکام بسیار بالایی بوده و میزان کشیدگی تا پارگی این مواد در دمای اتاق یعنی برابر با ۷۵ درجه فارنهایت پایین می باشد ولی در واقع این استحکام با افزایش دما رو به زوال خواهد رفت. سایر خواص پلیمر یاد شده نیز عبارتند از مقاومت بسیار خوب در برابر اشعه فرابنفش نفت و حلال ها. اتیل سلولز نیز یکی دیگر از مشتقات اتصال سلولز است و شهرت تجاری بالایی دارد. اتیل سلولز استحکام بسیار بالایی در دمای اتاق دارد و این استحکام با افزایش دما نیز کاهش پیدا خواهد کرد. در واقع هر چقدر تعداد گروههای اتری کمتر باشد میزان استحکام ماده بیشتر خواهد شد و انحلال پذیری نیز کمتر میشود ولی سازگاری کمتری با مواد نرم کننده ها و سایر مشتقات به وجود خواهد آمد. این امکان نیز وجود دارد که انواعی از اتر سلولز ها و استر هایی که به صورت تقریبی هیدرولیز می‌شوند را به رزینهای ترموست تغییر داد. با واکنش گروههای هیدروکسیل باقیمانده با فرمالدهید اوره، ملامین و یا پلی ایسوسیانتس امکان شبکه سازی فراهم خواهد شد.
سلولز نیترات (سلولوئید) خواص و مصارف
نیترو سلولز که با نام سلولز نیترات هم شناخته میشود، قدیمی‌ترین ترمو پلاستیک موجود است. ماده یاد شده در سال ۱۸۵۵ و توسط الکساندر پارکز اختراع شد و سپس با اسامی Parkesine, Xylonite وCelluloid به صورت تجاری معرفی شد. به منظور دستیابی به خواص متناسب برای این ماده از افزودنی‌های مانند کافور، رنگهای پایدار کننده ها و فیلرها استفاده شد. سلولز نیترات از ترکیب رشته های سلولزی در یک محلول آبی نیتریک و سولفوریک اسید به وجود می آید. رشته ها در محلی به مدت ۲۰ تا ۶۰ دقیقه و در دمای ۳۰ تا ۴۰ درجه سانتیگراد نگهداری می شوند. پس از آن محصول مجدد با محلول سدیم کربنات و آب شستشو می شود تا حالت خود را پیدا کرده و اسید ها از آن جدا شود. میانگین درجه نیتروژن سازی به موارد مختلفی وابسته است که از آن جمله می توان به این گزینه‌ها اشاره کرد: ترکیبات محلولی که برای تنظیم حرارت به کار برده میشود زمان غوطه ور سازی و شرایط واکنشی. معمولاً از نیتروسلولز هایی که دارای دو گروه نیتراتی در هر واحد تجاری گلوکوزین می باشد، برای پلاستیک ها و لاکها استفاده میشود. برای تولید مواد محترقه نیز مقدار بسیار بالایی از نیترات به کار برده می شود. سلولز دارای خواص مکانیکی فوق‌العاده می باشد و این در حالی است که پلاستیک های ساخته شده از این ماده همانند سلولوئید دارای مقاومت بسیار کمی در برابر حرارت و تغییرات آب و هوایی بوده و همچنین می‌توانند در مقابل اسیدهای رقیق و بازها مقاومت داشته باشند ولی حالتی نامحلول و پایدار در آب و حلالهای غیرقطبی دارند. پلیمر یاد شده بسیار احتراق پذیر می باشد و به همین دلیل برای تولید بسیاری از مواد گزینه ای خطرناک به شمار می آید. در بیشتر موارد این ماده به عنوان یک رنگ پایه برای محصولاتی مانند جوهر، پوشش ها و چسب ها به کار برده می شود. رقیق سازی نیترو سلولز با سایر مواد باعث می شود تا خاصیت اشتعال پذیری آن به مقدار قابل توجهی کاهش پیدا کند.
سلولز استر و اتر های تجاری
بزرگترین تولید کننده های سلولز استرها و عطرها عبارتند از:
· AkzoNobel
· Dow Chemical Eastman Daicel
· Shin Etsu
· Eastman
از سلولز و مشتقات آن به منظور تولید چه محصولاتی استفاده می شود؟
سلولز به طور عمده در تولید کاغذ و مقوا کاربرد دارد فقط مقادیر بسیار کمی از آن به مشتقات سلولزی نیمه ترکیبی تبدیل می شوند مانند سلفون، ریون، سلولز استات و سلولز اترها. همانطور که پیش از این نیز یاد شد مهمترین سلولز استر موجود با نام سلولز استات شناخته می شود و به طور عمده ای برای مصارف صنعتی به کار برده می شود و حتی می توان آن را به دو زیر مجموعه متفاوت تقسیم کرد با نام‌های سلولز دی استات و تری استات. مهمترین مصارف این ماده نیز عبارتند از پارچه (فیبرها و نخهایی که برای پارچه های با کیفیت به کار برده می شوند) فیلم های پلاستیکی مانند فیلم های نوری برای فناوری ال سی دی، محصولات پر مصرف مانند فیلتر های سلولزی، برچسب ها و سایر موارد.
