نیترو سلولز Nitrocellulose چیست؟

نیترو سلولز چیست و برای تولید چه محصولاتی به کار برده می شود؟

نیترو سلولز (که با نام‌های سلولز نیترات، باروت پنبه و رشته یا کاغذهای شناخته می‌شود که در تماس با  نیترات به سرعت شعله‌ور می‌شوند)، نوعی ترکیب با قابلیت اشتعال بسیار بالاست که از قرارگیری سلولز نیترات در برابر نیتریک اسید و یا سایر عاملهای نیترات ساز قوی به وجود می آید. زمانی که مواد یاد شده به عنوان پیشران یا عامل محرکه و یا مواد احتراقی ضعیف به کار برده شوند، آنگاه با نام باروت پنبه شناخته می شود. سلولز نیترات مصارفی در تولید فیلم های پلاستیکی، جوهر و پوشش های چوبی دارد. در سال ۱۸۵۵ اولین پلاستیک ساخته دست انسان با نام نیتروسلولز توسط الکساندر پارکز از سلولوز و قرارگیری آن در معرض نیتریک اسید و یک حلال به وجود آمد. در سال ۱۸۶۸ نیز یک مخترع آمریکایی با نام John Wesley Hyatt نوعی ماده پلاستیکی را توسعه داد و آن را سلولوئید نامید و با نرم سازی نیترو سلولز به کمک کافور توانست اختراع پارکز را بهبود بخشد. بدین وسیله این امکان فراهم شد که ماده یاد شده را به‌صورت فرم نهایی فرآوری کنند و همچنین آن را به عنوان یک فیلم عکاسی به کارببرند. سلولوئید از اواخر دهه ۸۰ و به عنوان یک فیلم در عکاسی در تولید فیلم های اشعه ایکس و فیلمهای تصاویر متحرک توسط کداک و سایر تولیدکنندگان به کار برده شدکه به طور کلی فیلم های نیترات نامیده می‌شدند. پس از آن که آتش سوزی های متفاوتی توسط فیلم های ناپایدار سلولوز نیترات به وجود آمد، نوعی دیگر از فیلم های ساخته شده از سلولز آستات از دهه ۳۰ به عنوان فیلم های اشعه ایکس و از سال ۱۹۴۸ به عنوان فیلمهای تصاویر متحرک به کار برده شدند.

از نیترو سلولز به منظور تولید چه محصولاتی استفاده می شود؟

• توپ های بازی تنیس روی میز از نیتروسلولز یا  در واقع سلولویید ساخته می شوند.
• مهمات: در سال۱۸۳۲ Henri Braconnot کشف کرد که نیتریک اسید در ترکیب با نشاسته و یا فیبر چوب می تواند نوعی ماده احتراقی سبک وزن را تولید کند و آن را xyloïdine نامید. کمی بعد و در سال ۱۸۳۸ یک شیمیدان فرانسوی کاغذ و مقوا را به روش یکسان فراوری کرد و توانست ماده‌ای را اختراع کند که آن را نیترا میدین نامید. مواد یاد شده حالتی بسیار ناپایدار داشته و این امکان وجود نداشت که از آنها به عنوان مواد احتراقی کاربردی استفاده کرد. این در حالی بود که در سال ۱۸۴۶ یک شیمیدان سوئیسی آلمانی با نامChristian Friedrich Schönbein توانست یک محلول بسیار کاربردی‌تر را کشف کند. زمانی که وی در حال انجام فعالیت هایی در آشپزخانه خانه خود در بازل بود ناگهان ترکیبی از نیتریک اسید و سولفوریک اسید را به روی میز آشپزخانه ریخت. پس از آن به دنبال نزدیک ترین پارچه ای گشت که در اطراف خود پیدا می‌کرد و در نهایت یک پیشبند را برداشت و محلول را با آن خشک کرد. پیشبند را به روی در اجاق گاز آویزان کرد تا خشک شود و به محض اینکه پیشبند خشک شد، جرقه‌هایی رخ داد و شعله ور شد. موارد یاد شده فرمولاسیون اتفاقی بودند که وی ‌توانست به آنها دست پیدا کند و پس از آن نیز بارها تکرار شدند به گونه ای که یک بخش از پنبه هیدروفیل ظریف در ۱۵ بخش از ترکیبی برابر از سولفوریک اسید و نیتریک اسید خیس می شود. پس از دو دقیقه پنبه برداشته شده و در آب سرد شسته میشود تا سطح استری سازی به وجود آید و همچنین تمام باقی مانده های اسیدی از ماده زدوده شود. سپس آن را به آرامی در دمای زیر ۴۰ درجه سانتیگراد یا ۱۰۴ درجه فارنهایت خشک‌ میکنند. شیمیدان سوئیسی آلمانی یاد شده با یک پروفسور آلمانی با نام Rudolf Christian Böttger همکاری کرد که توانسته بود فرآیندهای یادشده را به صورت جداگانه و در همان سال کشف کند. به صورت تصادفی شیمیدان سومی نیز باروت پنبه را در سال ۱۸۴۶ تولید کرد و اولین نفری بود که فرایند تولید آن را منتشر کرد و همین موضوع نیز عامل ناراحتی دو شیمیدان آلمانی یاد شده بود. این فرایند از نیتریک اسید به منظور تبدیل سلولز به سلولز نیترات و آب استفاده می‌کند :

3 HNO3+ C6H10O5 H2SO4→ C6H7(NO2)3O5 + 3 H2O

سولفوریک اسید نقش کاتالیزگر داشته و به منظور تولید یون نیترونیوم به کار برده می شود. این واکنش از مرتبه اول بوده و با جایگزینی الکترون دوست در مراکز ارتباطی C−OH در سلولز وجود می آید. باروت پنبه نیز از طریق فراوری نخ به عنوان منبع سلولوزی به همراه سولفوریک اسید غلیظ و ۷۰ درصد نیتریک اسید انجام می گیرد که تا دمای صفر درجه سانتیگراد خنک شده و سلولز تری نیترات را به وجود می آورد. نگهداری باروت پنبه و در واقع ذخیره آن عملی خطرناک است ولی می‌توان خطر های ناشی از آن را با مرطوب سازی آن به کمک انواعی از مایعات همانند الکل کاهش داد. به همین دلیل است که انواعی از باروت پنبه که از اوایل قرن ۲۰ به بعد مورد استفاده قرار گرفته‌اند با نام باروت پنبه مرطوب شناخته می شوند. ماده یاد شده دارای خاصیت احتراقی بسیار بالایی بوده و به عنوان یک محرک احتراقی دارای توانایی تولید گاز ۶ برابر بیشتر از پودر سیاه در همان حجم را دارد و علاوه بر آن می‌تواند دود و گرمای بسیار کمتری را تولید نماید. امتیاز تولید باروت پنبه در سال ۱۸۴۶ به جان هال و پسرش تعلق گرفت و تولید صنعتی این ماده احتراقی نیز یک سال بعد و در یک کارخانه صورت پذیرفت. اگرچه درک درستی در خصوص نحوه فراوری این ماده وجود نداشت و از روش‌های سنجش ایمنی متفاوتی برای این ماده استفاده شد. مجموعه ای از انفجارها در ماه جولای در همان سال باعث شد تا حدود ۱۲ نفر از کارگران جان خود را از دست بدهند و کارخانه نیز به طور ناگهانی بسته شد. تولید باروت پنبه به مدت ۱۵ سال متوقف شد تا زمانی که یک روند ایمن‌تر توسعه داده شود. تحقیقات بیشتری که در این زمینه صورت گرفته است نشان می‌دهند که شست و شوی صحیح پنبه اسیدی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. در صورتی که نیترو سلولز به خوبی از این مواد شسته نشود ممکن است به طور ناگهانی  شعله ورشده و در دمای اتاق منفجر شود و این درحالی است که تبخیر آب منجر به متمرکز سازی اسیدهایی می‌شود که هنوز واکنشی ندادند.

یک شیمیدان بریتانیایی با نام Frederick Augustus Abel اولین فرآیند ایمن برای تولید پنبه باروتی را کشف کرد و این اختراع را در سال ۱۸۶۵ به نام خود ثبت نمود. در این روش مدت زمان شستشو و خشک سازی نیتروسلولز هردو به ۴۸ ساعت رسید و به تعداد ۸ بار نیز تکرار شد. ترکیب اسیدی نیز دچار تغییراتی شد و در آن از دو بخش سولفوریک اسید به همراه یک بخش نیتریک اسید استفاده میشود. همچنین این امکان وجود دارد که نیترات سازی با تنظیم غلظت اسیدی و دمای واکنش کنترل شود. نیتروسلولز در ترکیبی از الکل و اتر حل می شود تا زمانی که غلظت نیتروژن بیش از ۱۲ درصد شود. نیترو سلولز محلول و یا محلول به دست آمده از این ماده گاهی با نام کلودیون نیز شناخته می شود. نوعی از باروت پنبه که حاوی بیش از ۱۳ درصد نیتروژن باشد که با نام نیتروسلولز غیر قابل انحلال نیز شناخته می‌شود با قرارگیری طولانی مدت در معرض اسیدهای غلیظ و بسیار داغ تولید شده و از آن ها به منظور تولید محصولات انفجاری و یا کلاهک های جنگی برای اسلحه های زیردریایی مانند مین‌های دریایی و یا اژدرها استفاده میشود. تولید ایمن و طولانی مدت ماده یاد شده در سال‌های ۱۸۶۰ تا ۱۸۷۰ آغاز شد و باروت پنبه به سرعت به عنوان ماده انفجاری اصلی شناخته شد. پس از آن ماده یاد شده  به عنوان گزینه ای  استاندارد برای کلاهک های جنگی ارتشی شناخته شد و این در حالی است که همچنان پتانسیل بسیاری به عنوان یک محرک داشت. انواع پایدارتری از ترکیبهای کلودیونی که با سرعت بسیار کمتری می سوزد نیز در نهایت با استفاده از اسیدهای رقیق تر در دماهای پایین‌تر و به منظور تولید پودرهای بدون دود در اسلحه های گرم به کار برده شدند. اولین پودر بدون دود ساخته شده از نیتروسلولز برای اسلحه های گرم و مهمات توپخانه ای در سال ۱۸۸۴ توسط یک شیمیدان فرانسوی با نام Paul Vieille اختراع شد.

سایر مصارف نیتروسلولز کدامند؟

• در سال ۱۸۴۶ مشخص شد که سلولز نیتراتی در اتر و الکل حل می شود و  محلولهای کلودیون نامیده شد و به عنوان بانداژ برای زخم ها استفاده می شد. امروز نیز برای مصارف موضعی و پوستی متفاوتی از این ماده استفاده می شود.
• ورقهای براقی که جادوگران از آن استفاده می‌کند نیز کاغذ و یا پارچه های ساخته شده از نیتروسلولز هستند که بدون آنکه هیچ گونه خاکستری از خود برجای بگذارند با شعله های بسیار درخشان می سوزند.
• این مواد به عنوان پد های یکبار مصرف رمزنگاری نیز به کار برده می شوند و باعث می شوند تا مراحل بازیافت و دور اندازی این پد ها به صورت کاملا ایمن و اثربخش صورت گیرد.

نیترو سلولز چه خطراتی دارد؟

کلودیون که محلولی از نیترو سلولز در اتر و اتانول میباشد، نوعی مایع اشتعال پذیر است. نیتروسلولز زمانیکه خشک باشد حالت انفجاری داشته و می‌توان آن را با گرما، جرقه و یا ساییدگی شعله ور کرد.