نیتروسلولز چیست ؟

نیتروسلولز یک ترکیب شیمیایی با جرم مولی متغیر است. شکل ظاهری این ترکیب، رشته‌های پنبه مانند سفید مایل به زرد است. این ماده در حقیقت از نیتراسیون پنبه با استفاده از نیتریک اسید و در حضور کاتالیزور تولید می‌شود. این ماده پس از باروت کشف شد و از آن قوی‌تر بود و به همین دلیل در صنایع مورد استقبال قرار گرفت. نیتروسلولز، مخلوطی از استرهای نیتریک سلولز، و یک ترکیب بسیار قابل اشتعال که ماده اصلی باروت مدرن است و در لاک ها و رنگ های خاص نیز به کار می رود. در اواخر قرن 19 و اوایل قرن 20، پایه اولیه ترین الیاف و مواد پلاستیکی ساخته شده توسط بشر بود.

ترکیب، خواص، و ساخت نیتروسلولز
سلولز یک پلیمر طبیعی است که از خمیر چوب یا الیاف کوتاه (لیتر) که به دانه‌های پنبه می‌چسبد به دست می‌آید. این شامل واحدهای گلوکز تکراری است که دارای فرمول شیمیایی C6H7O2(OH)3 و ساختار مولکولی زیر است: در سلولز بدون تغییر X در فرمول مولکولی نشان دهنده هیدروژن (H) است که نشان دهنده حضور سه گروه هیدروکسیل (OH) روی مولکول سلولز است. گروه‌های OH پیوندهای هیدروژنی قوی بین مولکول‌های سلولز تشکیل می‌دهند، در نتیجه سلولز نمی‌تواند با گرما نرم شود یا توسط حلال‌ها بدون ایجاد تجزیه شیمیایی حل شود. با این حال، پس از ترکیب با اسید نیتریک در حضور کاتالیزور اسید سولفوریک و آب، گروه های OH با گروه های نیترو (NO2) جایگزین می شوند. در تئوری، هر سه گروه OH را می توان جایگزین کرد و در نتیجه سلولز تری نیترات که حاوی بیش از 14 درصد نیتروژن است، می شود. با این حال، در عمل، بیشتر ترکیبات نیتروسلولزی دی‌نی‌ترات‌ها هستند که به‌طور میانگین 1.8 تا 2.8 گروه نیترو در هر مولکول و حاوی 10.5 تا 13.5 درصد نیتروژن هستند. درجه نیتراسیون حلالیت و اشتعال پذیری محصول نهایی را تعیین می کند.

سلولز با نیترات بالا - یعنی نیتروسلولز حاوی بیش از 12.5 درصد نیتروژن - به یک ماده سفید کرکی تبدیل می شود که به نام های پیروسلولز و گانکتون شناخته می شود. Guncotton در برابر حرارت ناپایدار است و حتی نمونه هایی که با دقت آماده شده اند در یک حرارت کوتاه تا دمای بیش از 150 درجه سانتیگراد (300 درجه فارنهایت) مشتعل می شوند. گانکاتن در باروت ها، پیشرانه های موشک جامد و مواد منفجره استفاده می شود. سلولز نسبتاً نیترات شده (حاوی تقریباً 10.5 تا 12.5 درصد نیتروژن) نیز قابل اشتعال است، اگرچه شدت آن کمتر از پنبه است و در الکل ها و اترها محلول است. نیتروسلولز از این نوع که زمانی با نام‌های مختلفی مانند پیروکسیلین، زایلوئیدین و پنبه کلودیون از آن یاد می‌شد، به‌عنوان عامل تشکیل فیلم در رنگ‌های مبتنی بر حلال، پوشش‌های محافظ و لاک‌های ناخن استفاده می‌شود.
در تولید تجاری نیتروسلولز، خمیر چوب منبع اولیه سلولز است. ورقه سلولز و اسیدهای نیترات کننده به یک ظرف واکنش وارد می شوند، جایی که نیتراسیون ادامه می یابد تا زمانی که اسیدها از محصول نیترات شده سانتریفیوژ شوند. اسید باقی مانده با شستن دوغاب نیتروسلولز در آب و جوشاندن آن در محلول سوزاننده حذف می شود. این محصول اغلب با تثبیت کننده های مختلف برای کاهش تخریب در معرض نور و گرما آماده می شود. به منظور کاهش احتمال احتراق، نیتروسلولز معمولاً در آب یا الکل نگهداری و حمل می شود.
 
تاریخچه توسعه و استفاده
در سال 1833، هنری براکونوت، مدیر باغ گیاه شناسی در نانسی، فرانسه، نشاسته، خاک اره و پنبه سیب زمینی را با اسید نیتریک مخلوط کرد. براکونوت دریافت که این ماده، که او آن را «گزیلوئیدین» نامید، در سرکه چوب محلول است و سعی کرد از آن پوشش‌ها، فیلم‌ها و اقلام شکلی بسازد. در سال 1838 شیمیدان فرانسوی دیگری به نام Théophile-Jules Pelouze کشف کرد که کاغذ یا مقوا را می توان با فرو بردن آن در اسید نیتریک غلیظ به شدت قابل اشتعال ساخت. پلوز نام ماده جدید خود را "پیروکسیلین" گذاشت. کریستین فریدریش شونبین، شیمیدان سوئیسی، توانست با فرو بردن پنبه در مخلوطی از اسیدهای نیتریک و سولفوریک، درجه نیتراسیون و در نتیجه اشتعال پذیری محصول را افزایش دهد. در سال 1846 او کشف این ماده منفجره انقلابی را اعلام کرد که به نام guncotton شناخته شد و در بریتانیا و ایالات متحده ثبت اختراع به دست آورد. Schönbein همچنین انحلال سلولز با نیترات متوسط در اتر و اتیل الکل را برای تولید مایع شربتی که به یک فیلم شفاف خشک می‌شود، توصیف کرد. مخلوطی از این ترکیب در نهایت به عنوان کلودیون مورد استفاده قرار گرفت که در قرن نوزدهم به عنوان یک حامل عکاسی و درزگیر ضد عفونی کننده زخم مورد استفاده قرار گرفت.
گانکاتن تا سال 1860 به عنوان یک ماده تشکیل دهنده باروت مورد استفاده قرار نگرفت. تاریخچه اولیه استفاده از آن با انفجارهای فاجعه بار بسیاری همراه بود که تا حدی به دلیل عدم درک اینکه نیتروسلولز یک ماده ناپایدار است و در معرض تجزیه کاتالیزوری ناشی از محصولات تجزیه خود است، ایجاد شد. در سال 1868 شیمیدان انگلیسی سر فردریک آگوستوس آبل نشان داد که روشهای رایج برای شستشوی نیتروسلولز پس از نیتراسیون ناکافی بوده و اسید باقیمانده باعث ناپایداری می شود. در دهه 1880، مهندس فرانسوی Paul Vieille، تثبیت کننده های خاصی را به نیتروسلولز اضافه کرد تا محصولات تجزیه فعال کاتالیزوری را خنثی کند. اولین پیشران پایدار و قابل اعتماد، پودر بدون دود، حاصل کار او بود و به شکل اصلی باروت تبدیل شد.

سلولز نیتراتی شکل نخ مانند خود را حتی در محلول حفظ می کند و در قرن نوزدهم روش هایی برای چرخاندن نیتروسلولز به الیاف و سپس تبدیل مجدد آنها به سلولز ابداع شد. این تلاش ها در سال 1891 با معرفی "ابریشم Chardonnet"، اولین الیاف مصنوعی تولید شده تجاری و نوعی از ابریشم مصنوعی، توسط شیمیدان فرانسوی هیلر برنیگو، comte de Chardonnet به اوج خود رسید. در سال 1869، مخترع آمریکایی جان دبلیو. هیات، پیروکسیلین جامد و کافور را با هم مخلوط کرد تا اولین پلاستیک موفق تجاری به نام سلولوئید را تولید کند که سال بعد آن را به ثبت رساند. پس از جنگ جهانی اول، نیتروسلولز در رنگ‌ها برای صنعت خودروسازی پررونق استفاده شد. اگرچه پوشش‌های نیتروسلولزی دیگر در مقیاس وسیع مورد استفاده قرار نمی‌گیرند، به دلیل محدودیت در استفاده از محصولاتی که حاوی ترکیبات آلی فرار هستند، نیتروسلولز همچنان به عنوان یک پلیمر تشکیل‌دهنده فیلم در پوشش‌های ویژه خاص استفاده می‌شود.